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除了对撞机,粒子物理实验就没有出路了吗?_加速器

时间:2020-04-23 08:01:44  来源:  作者:网络

原标题:除了对撞机,粒子物理实验就没有出路了吗?

研究实验粒子物理主要有两种方式,一种是加速器实验物理,另一种是非加速器实验物理。加速器物理是使用加速器为手段进行的物理实验,用加速器将粒子加速到很高的能量后撞击原子核或其他粒子,可以探索原子核以下层面的物质结构及规律。非加速器物理实验就是不使用加速器手段进行的粒子物理实验。

粒子物理实验最早就是以非加速物理为手段展开的,并且在早期取得了辉煌的成就。像正电子、μ子、K介子、π介子等都是在宇宙射线中最早发现的,这些发现对人类认识微观世界发挥了非常大的作用。不过用宇宙射线展开粒子物理实验基本就是靠天吃饭,为了更好的控制粒子进行实验,上个世纪30年代,劳伦斯发明了回旋加速器,为粒子物理实验开辟了一块新的天地。对撞机就是在回旋加速器的基础上逐步发展起来的一种加速器。

劳伦斯最早发明的加速器非常小,可以拿在手掌上。要将粒子加速到更高的能量需要有更大半径的加速器,于是加速器的半径一步步的增大,今天世界上最大的加速器欧洲大型强子对撞机LHC的周长达到了27千米,中国规划建设的大型对撞机CEPC-SppC周长更是达到了100千米。

上图为世界上几个加速器的大小对比图,实线画的最大的圆为欧洲大型强子对撞机,最小的圆为北京正负电子对撞机,虚线画的圆弧为中国规划建造的超大型对撞机CEPC-SppC。

大型对撞机可以说是目前粒子物理实验中最有力的利器,它比宇宙射线有着非常多的优势。用它可以将正反电子或正反质子加速到非常高的能量,并且得到的还是高流强可人为控制的粒子流。在更高的能量以及更高流强下,粒子物理学家能够更好的探索微观世界的奥妙。

对撞机的整体优势虽然明显,但宇宙射线也有让对撞机高不可攀的地方,宇宙射线中有些粒子的能量可以比对撞机中粒子的能量高出数个数量级。尤其是中微子、磁单极子、质子衰变、暗物质等研究早已转向到非加速器实验,并且有些研究成果已经摘得了诺贝尔奖。

上世纪90年代以来,非加速器物理的发展势头非常迅猛,尤其是在大型对撞机遇到瓶颈的情况下,一些规模很大、灵敏度非常高、投入也很大的非加速器物理实验项目投入到运行中。比如南极的冰立方中微子天文台,近百根装备着传感器的电缆从实验室延伸到冰洞下2.5千米的深处。非加速器物理能够和加速器物理有效的互补,共同为人类探索最基本的物质世界效力。 游戏网

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