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用于粒子对撞实验的粒子是怎样获取(根据“知乎”整理)

发布时间:2019-07-25 09:52 来源:未知 编辑:admin

  对于反物质(比如正电子,反质子),它们并不直接存在于自然中,这就需要通过相应的手段来产生。

  在实际操作中,首先是产生粒子,再就对所产生的粒子进行加速、聚焦等一系列处理,从而得到所需要的高质量粒子束。

  1.电子源:一般用不同的方法使固体中的电子获得足够能量,以使它们能从固体的束缚中逃逸出来。常用方法包括:

  加热:给金属加热,电子获得足够高的能量后逃逸。比如费米实验室的LINAC LAB Gun。

  光电效应:合适的光束照射金属,可以使电子从金属中逃逸。比如斯坦福SLAC的LCLS RFGun。

  场致发射:按照量子力学隧穿效应,粒子可以穿过在经典力学中本不能穿过的能量势垒。场致发射电子就是应用这种效应,给金属加一个强电场,使电子逃逸出来。

  次级发射:用粒子(电子、光子、质子、中子、离子等)去射击固体,固体中的电子获得足够高的能量就逃逸出来。当然,这个过程中有很多不同的物理过程,比如电离、弹性散射、俄歇效应、对产生,等等。

  2.离子源(质子源):将中性原子或分子气体分解至等离子体 状态,等离子体中有自由电子、自由离子(包括质子)等,再将离子引出。分解办法是:

  加热:高温使电子得到能量后从分子或原子的束缚中逃走,分子或原子就转化为离子。

  电磁:电磁方法的分解有很多种,比如电子回旋共振离子源,由于非相对论粒子在磁场中做回旋运动的频率和能量无关,如果给在电场中做回旋运动的电子加一个和回旋频率相同频率的电磁波,就能使电子获得能量而成为自由电子。

  3.负离子源:负离子和正离子不同,正离子在自然中大量存在,负离子源一般产生于包含自由正离子的等离子体中,必须让正离子俘获电子形成负离子。其转变办法主要有:

  转荷源:用正离子束打击强碱金属气体靶可以产生负离子,但这个方法的效率比较低。

  表面源:将等离子体输入表面有铯镀膜的腔体,等离子体中的正离子和腔体表面的铯膜作用就产生负离子。此方法常用于产生H-

  事实上,现在对于负离子源的研究尚不是非常成熟,目前对于上述方法的物理机制的理解并不完全充分。

  4.正电子源:和上述这些粒子源不同,正电子源不是从束缚态中剥离粒子。我们知道,一定能量的光子和强场作用(比如原子核)可以产生正负电子对,要产生正电子源一般是让电子打靶,电子被原子核偏转发射光子,其中能量合适的光子在原子核的作用下产生正负电子对,从而分解出正电子。

  5.反质子源:是用质子打靶(比如铜),散射产生正反质子对。这与正电子源类似。

  反应堆中子源:这种中子源的发展比较受限,原因在于U235的使用受到很强的限制。

  简单说,按照量子场论,产生正负电子对的原理就是应用光子和正反粒子对的两种态震荡。这时的粒子对是虚粒子,不易被探测,因为它存在时遵循海森堡不确定原理。如果光子的能量比正负电子静能量高,可以在强场的作用下使虚粒子对变成真实的粒子对。

  上面@Forsoul Coz讲的质子是怎么制造的,用氢气电离得到,适用于质子对撞机。对于电子直线对撞机或电子质子对撞机而言,主要是电子怎么得到。

  具体来讲,电子的产生主要靠热发射(把LaB6烧红了,一加电场就能出电子)、光发射(激光照射出电子)和场致发射(加个高场,针尖就能出电子)。热发射或场致发射应用在很多电子储存环,同步辐射里。

  如果希望得到高亮度的适合直线加速器的电子,一般需要光发射的电子。把激光照射在锑化物或碲化物的半导体或金属上,能产生非极化的电子。激光容易控制,可以产生10-12s 级别的短束团并提高亮度。

  如果需要极化的电子以束适合未来的ILC(国际直线对撞机)或EIC(电子质子对撞机),就需要一种特殊的晶体:砷化镓。当圆极化的激光打在这种晶体上就能产生自旋方向一致的电子。

  正电子一般通过电子打靶产生。一定能量的电子流轰击靶材后产生高强度的韧致辐射,同时辐射激发出正电子,再通过电场的作用进行加速。

  对于强子对撞机中所需要的高电荷态重离子,一般是先电离原子,再通过加速达到剥离原子内层电子的目的。离子枪内的高电场作用能产生等离子体,再由电场将等离子体中的重离子引出,经过前级加速器加速,让电子流轰击碳膜或气体剥离内层电子,然后将这些剥离了电子的重离子注入到主加速器进行加速。

  至于保存,一般大型重离子对撞机都是储存环同步加速器,实验中不断向储存环注入粒子,当达到所需流强和能量后便开始碰撞,等束流损失后再进行注入粒子。

  电子对撞机有储存式的也有直线的。直线对撞机一旦撞完了就直接进入垃圾靶了。也有新式的能量可回收直线加速器。把加速后的电子重新注入加速器,控制在反相位进行减速,让加速器储存能量而不是粒子,用于新的粒子加速。这样处理的电子品质一直很好,并且不浪费能源。

  2.每10小时,LHC 需要补充一次质子。一立方厘米标准大气压的氢气,足够补充100000 次所需质子;

  6.这是因为,LHC 主环运行的大部分时间是让质子跑圈,加速所用的时间是小头;

  8.其它加速器无非产生粒子源的机理不同,作为环形对撞机,其实都是储存环。

  国外的粒子普遍质量比较好,国内些不良商家在粒子里过量使用不合格的粒子添加剂,质量不过关。

  粒子黑作坊阻挠人类物理学发展。欧洲粒子加速器复苏了,应该严格把好养殖标准模型粒子的质量关。

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