欧洲核子研究中心(Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire)位于瑞士日内瓦的西北郊,是世界领先的核研究合作中心。它的众多活动之一涉及粒子物理学的研究。
粒子物理学是在粒子加速器(又名粒子对撞机)中进行的。它们利用电磁场将粒子加速到高速,并将它们聚焦成一束细光束。世界上最大、最强大的粒子加速器,大型强子对撞机(LHC)于2008年在欧洲核子研究中心开始运行。
大型强子对撞机(图1)是一个27公里(16.8英里)长的超导磁体环,其温度比外太空还低。在这台机器中,亚原子粒子在超高真空中以接近光速的速度相互碰撞。它让科学家们对物质的基本组成部分有了独特的见解。使LHC成为可能的关键进步之一是一系列令人印象深刻的真空技术,包括几个独立的真空系统。其中包括工作温度为1.9开尔文(-271°C或-456°F)的低温真空泵,涡轮分子泵和使用不可蒸发吸气剂(NEG)涂层的吸气泵,这是欧洲核子研究中心诞生和发展的一项技术。
下面我们将讨论粒子对撞机的发展,它们运行背后的基本技术,以及这一切是如何导致大型强子对撞机的发展的。
基本粒子
小学时,我们学过物质是由原子组成的,原子是由围绕质子和中子的原子核运行的电子组成的(图2)。多年来,人们一直认为这些是物质的基本粒子,它们不能再被分解成更小的粒子。主要是通过使用像大型强子对撞机这样的对撞机,才发现了更小、更基本的粒子;目前已经超过200个。原子最惊人的特征之一是它由多少空隙组成。
虽然原子非常小,但电子、质子和中子要小得多。一个原子的直径大约是10-11年米,但它的原子核是这个的1/ 10000。为了了解原子和原子核的相对大小以及质量,与有形物体作比较是有用的。例如,如果一个原子有一个足球场那么大,原子核就会比一个弹珠还小。电子将围绕体育场的外围运行,在大理石和外围之间的一切都将是空白空间。原子核是如此密集,以至于大理石的质量将超过1040亿公斤(1040亿),或1.14亿吨。
电子在原子核周围快速移动,每个电子都形成一个“壳层”,这就构成了原子的体积。虽然量子理论对于解释电子在原子核周围的运动是必要的,但用门外行人的话来说,电子的分布是球形的。
早期历史
物质由基本粒子组成的概念始于古希腊。公元前5世纪,希腊哲学家德谟克利特(Democritus)首次提出宇宙是由真空和不可分割的粒子组成的,他称之为“原子”(atomos,希腊语中的“不可切割的”)。有趣的是,他也是第一个提出地球位于一个由许多恒星组成的星系的人。1802年,英国化学家约翰·道尔顿进一步发展了原子理论,用它来解释化合物和化学反应。道尔顿还以提出了道尔顿部分气体定律而闻名。1897年,英国科学家约瑟夫·汤姆森通过阴极射线管的研究发现了电子。他认识到原子是由更轻、更小的粒子组成的,他称之为“微粒”,也就是我们现在知道的电子。1911年,新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福进行了他著名的金箔实验。卢瑟福将高速粒子(氦核)对准一张薄薄的金箔,发现大多数粒子都直接穿过金箔,只有少数反弹回来。这表明,虽然铝箔是固体,但它比固体材料有更多的空间。 Rutherford postulated the planetary model of the atom in which electrons orbited around the nucleus like planets around the sun. He was later the first to identify the atomic nucleus, the proton, as well as alpha and beta particles. A giant among physicists, Rutherford also discovered that atoms of heavy elements have a tendency to decay, leading to the carbon dating technique still used in historical research.
粒子加速器的发明
1932年,经过四年的发展,英国物理学家约翰·科克罗夫特和爱尔兰物理学家欧内斯特·沃尔顿设计出了第一台粒子加速器。该装置被称为静电加速器,因为机器在一个8英尺高的真空管上方的小玻璃室中产生低能质子,然后利用电压倍增器在细束中加速向下。使这台机器成为可能的关键技术之一是真空泵的发展(图3)。
这束高能质子从管的底部出来,轰击放置在管下面的目标。利用这台机器,他们进行了第一次可控的原子分裂。Cockcroft和Walton观察到,在用质子轰击锂样品时,氦被释放出来(图4)。他们得出结论,锂核(由3个质子组成)随着另一个质子的引入,已经分裂成两个更小的氦核,每个氦核由2个质子组成。这一解释后来得到了充分证实。
粒子加速器设计进展
1934年,美国物理学家欧内斯特·劳伦斯在加州大学伯克利分校发明了一种不同类型的对撞机。劳伦斯从耶鲁大学的教员职位上被吸引过来,承诺与化学系有联系,后来成为曼哈顿计划的贡献者。劳伦斯的回旋加速器,正如他所说,是一种粒子加速器,其中带电粒子沿着真空中的螺旋路径从中心向外加速(图5)。它们被磁场保持在轨道上,并被迅速变化的电场加速。劳伦斯因此项发明获得了诺贝尔物理学奖。回旋加速器是对科克罗夫特和沃尔顿的线性加速器的改进,但这项技术还有待进一步改进。
粒子加速器设计需要克服的一个基本问题
随着加速器技术的进步,粒子放电速度加快,科学家们面临着克服狭义相对论的影响。根据狭义相对论,接近光速的粒子质量以非线性的方式显著增加,使得进一步加速所需的能量比经典牛顿物理学所预期的要多得多(图6)。
粒子速度对其质量的相对论效应最初是由科学家在20世纪初测量的,当时电子被加速到接近光速的各种速度,当它们通过已知强度的磁场时,它们的偏转被测量出来。人们发现,当速度接近光速时,电子的偏转比牛顿物理学计算所预测的要小,牛顿物理学控制着我们日常世界中物理物体的运动。当测量挠度时,人们意识到对挠度减小的唯一解释是它们的质量实际上在以更高的速度增加。事实上,许多科学家重复的实验表明,质量的增加与爱因斯坦狭义相对论方程所预测的相符。这对粒子加速器的设计者来说是一个巨大的挑战,因为要将粒子加速到接近光速,并使物理学的进一步突破得以实现,将需要极大的能量。
为了克服高粒子速度下的相对论效应,需要一种新型的粒子加速器,它可以在粒子离开装置之前向粒子传递更大的能量。其结果就是同步加速器,即大型强子对撞机的早期前身。与回旋加速器在释放粒子之前以螺旋模式加速粒子不同,同步加速器以环形环路携带粒子(图7)。它们被允许进行多次通过,就像在跑道上一样,并在每次通过时继续加速,直到达到所需的速度并从加速器中释放出来。随着粒子加速,包含粒子的磁场强度会随着时间的推移而增加,即使它们获得了质量,也能让它们保持在“赛道”上。此外,磁场的频率增加,以继续加速,因为粒子在接近光速时获得质量。
粒子加速器中的能级测量
为了理解粒子加速器的相对能级,理解电子伏特这个测量单位是很有用的。电子伏特(eV)是单个电子通过一伏特电位差时所获得(或损失)的能量。在粒子物理学中使用它是因为带有电荷q的粒子在通过势能v后具有能量E = qV。有趣的是,电子伏特在粒子物理学中也是质量单位,质量单位和能量单位经常使用爱因斯坦著名的公式E = mc来交换2.早期的粒子加速器产生不到100万电子伏(MeV)。随着技术的进步和更好的加速器的开发,这增加到10亿电子伏(GeV),也就是10亿电子伏。在最初启动后,大型强子对撞机升级到2.36 TeV,即2.36万亿电子伏特,比科克罗夫特和沃尔顿最初的加速器强5000多倍。
大型强子对撞机利用这种能量将两束质子加速到光速的99.999956%,然后进行正面碰撞。每个质子束由2808组(称为质子束)组成,每个质子束包含超过1 x 1011质子。由于质子是如此之小,因此需要如此高的数量来增加正面碰撞的可能性,从而释放出所需的更小、更基本的粒子。对这些基本粒子的研究是大型强子对撞机的真正目标。