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粒子对撞机中撞出的美妙粒子轨迹，科学家是如何来分析轨迹的？

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发布时间：2019-02-08加入收藏来源：互联网点击：

粒子对撞机中撞出的美妙粒子轨迹，科学家是如何来分析轨迹的？

回答于 2019-09-11 08:43:50

回答于 2019-09-11 08:43:50

我们的世界，如沙滩、人类、行星以及星系，仅由三种基本粒子组成。它们是电子、上夸克和下夸克。这三种粒子组成了原子、分子、化合物，以及宇宙的任何物质。

物理学家为了探索、发现和量化基本粒子，建立了一种将微观粒子加速对撞的高能物理实验装置，即粒子对撞机。其作用是在高能加速器中积累并加速粒子流，达到一定能量时使粒子对撞，产生科学家预期的效果。

例如设在瑞士的欧洲联合核子物理中心CERN（又称欧洲粒子物理实验室）。它的大型强子加速器LHC，是目前全球最大的、能量最高的粒子加速器。它的加速环形隧道位于地下，长度达27公里。
粒子在对撞前，数以百万计的粒子被加速至光速的99.999%。实验所记录下来的粒子碰撞过程的轨迹线路图，是现代物理最前沿的粒子碰撞奇观，它帮助科学家取得了许多重大科研成果。

LHC实验还揭示了，伴随能量的释放，一种元素可以由另一种元素产生。也就是宇宙学上认为的大爆炸的产物能够一步步演变为今天宇宙中的所有物质。
随着粒子加速器被改进得更加完善和精密，科学家能够精确地测量出在粒子碰撞中有多少能量释放出来，以及靶上的物质同时损失了多少质量。用不同质量的粒子作靶，释放出的能量总是与靶上质量的损失成正比关系。这恰好验证了爱因斯坦早年的预言，即质能方程E=mc^2的正确，能量和质量在一定条件下可以相互转换。

在对撞机中已经观察和记录到了碰撞瞬间炫丽的粒子轨迹，那么科学家是如何分析和解读这些粒子轨迹的呢？


今天的电子探测器可以捕捉到碰撞后粒子运动的轨迹，并且把这些轨迹在计算机上显示出来。科学家可以直接分析对撞机中发生的碰撞事件，从不同粒子的不同轨迹组成的图案中，能够得到诸多有意义的结果。

通常情况下，实验装置还被置于磁场中，由粒子在磁场中的偏转方向可以判定粒子所带电荷的正或者负。各种不同种类的粒子都具有自己独有的轨迹形状，例如一些粒子的轨迹会有方向偏转，而另一些又是快速形成向内的螺旋线等。

上图以及下图均由CERN的计算机模拟出的不同粒子碰撞图。这些图是计算机根据从放置在发生粒子碰撞的位置的探测器所得到的真实数据绘制的。
换句话说，每一种粒子都有自己独具特征的、可以辨别的轨迹。每当碰撞出一种新的、很明显有未识别的轨迹时，轨迹的偏转角度、长度、曲率等参数，就会给出这种粒子的质量和行为特征线索。科学家利用了这种分析方法，如果理论所预言的某种粒子一旦真的在加速器中产生出来，它很快就被“识别身份”。
比如，2012年在物理学界引起轰动的希格斯粒子的发现，被标榜为这个时代最伟大的发现之一，其成果正是在CERN取得的。物理学家希格斯（Peter Higgs）在55年前预言了希格斯粒子的存在，它是粒子物理标准模型的拱顶石。

（戏说宇宙，欢迎关注）

回答于 2019-09-11 08:43:50

很奇妙，需要专业知识解答。

回答于 2019-09-11 08:43:50

在电场和磁场下来判断。