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为什么粒子加速器越造越大？
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发布时间：2019-02-08加入收藏来源：互联网点击：
为什么粒子加速器越造越大？
回答于 2019-09-11 08:43:50
回答于 2019-09-11 08:43:50
您可能已经在众多科普文章中（尤其是与粒子物理学有关的）中了解或听说过粒子加速器。例如大型强子对撞机（LHC）这个粒子加速器是人类有史以来建造的最大的单体机器。
上图：对撞机的内部
什么是粒子加速器？
用最基本的术语来说，粒子加速器是一台大型机器，用于执行涉及高能亚原子粒子的物理实验。对于科研人员来说，它是一种使用电磁场将带电粒子加速到接近光速的装置，并将这些快速粒子限制成束，以便对撞。
一些最著名的粒子加速器包括大型强子对撞机（两种分别在离子模式和质子模式下运行），相对论重离子对撞机、Tevatron（美国芝加哥）、J-PARC（日本质子加速器）、BEPC II（北京正负电子对撞机二号）等。
上图：我国北京正负电子对撞机二号的双环路和探测器（中间照片）。
与许多人所认为的相反，大型强子对撞机并不是世界上唯一的粒子加速器。实际上，全球有数百种粒子加速器在运行，它们可用于不同目的，包括科学研究，医学乃至国际安全。
粒子加速器有什么作用？是怎么工作的？
粒子加速器基本上有两种类型：
线性加速器
环形加速器
尽管它们的设计和操作模式有所不同，但基本功能仍然相同。
但显然，环形加速器可以让粒子在环中无限地运动下去，不会有尽头，因此环形加速器可以适用于更高速地粒子的生成。
粒子源（如氢核）为研究人员提供了想要加速的所需粒子（例如质子，电子等）。科研人员使用生成的高速粒子束相互对撞使得亚原子粒子因碰撞的高能量产生新的粒子，有些甚至是未知的粒子，从而验证一些理论预测是否正确。
极其强大的电场，可以将金属束管内的真空内的粒子加速。一旦粒子开始运动，强大的电磁体就会转向并保持粒子束在金属管中聚焦，最终撞击到来自相反方向或固定目标的另一束粒子。请注意金属管内的真空非常重要，因为要确保没有任何东西（甚至是空气分子）阻碍以光速行进的亚原子粒子的运动。
但环越大，就越接近直线，用于约束粒子束的能量（形成强磁场）就越低。
上图：欧洲的大型强子对撞机(LHC)
粒子加速器中，亚原子粒子（非常小且非常坚固）在真空管道中碰撞到一起并且“破碎”，这样科学家们就可以研究“碎片”（例如介子、重子、介子等）的特征。这些粒子被加速到接近光速后可能对撞并被“粉碎”数百万次。希格斯玻色子（又名“上帝粒子”）就是在大型强子对撞机中进行数万亿次碰撞后发现的。
为什么要这么大的例子加速器？
欧洲核子研究组织的大型强子对撞机周长27公里。
我们只能用肉眼看到一般大小的物体。要观察较小的物体，请使用显微镜；如果要观察较远的物体，请使用望远镜。工具越强大，我们能看到的就越多。
粒子加速器是使我们能够探索自然可见甚至不可见的基本构成，以及宇宙中所有物质的演化和起源的工具。加速器功能越强大，我们就可以越深入地观察无限小和无限大。
粒子加速器犹如粒子的“赛道”。赛车就是粒子，它们必须随着时间的推移逐渐在大型的环形赛道或漫长而笔直的赛道上逐渐加速。
在物理学中，这两种“赛道”就分别环形加速器和线性加速器。
环形加速器中的粒子在环中某个位置通过加速结构运动时逐渐获得能量。例如，大型强子对撞机中的质子在达到碰撞能量之前每秒要跑完11000圈，持续20分钟。在其行驶过程中，磁场会引导粒子围绕加速器的曲线保持行进。
但是，就像在弯曲的山路上开车一样，粒子的最大能量受到加速器曲线的限制。如果转弯太急或磁体太弱，粒子最终将飞出赛道。
线性加速器没有这个问题，但是它们也面临着另外的挑战：线性加速器中的粒子只有通过足够长的加速结构才能达到所需能量，所以，如果能量要求高，那么加速器就必须非常长，而且必须是直的，甚至地球表面的弧度都会造成问题。如果这个长度要求太大，建造线性加速器就面临困难，而环形加速器没有这个长度问题，因为粒子可以在加速器中无线循环运动。
如果我们想更深入地研究物质或进一步研究宇宙的起点，我们就必须提高能量，这意味着我们需要更强大的工具——更高的粒子能量，或者更长的加速距离。例如数百公里长的线性加速器或具有长且弧度更柔和的巨型圆形加速器。这样的加速器才能进一步提高粒子的能量。
上图：欧洲的未来更大的环形加速器。
当然，在另一方面，我们也可以改造我们的加速技术，在短距离内快速有效地加速线性加速器中的粒子。我们还可以设计和制造出令人难以置信的强大磁体（比当今任何磁体都强大），使超高能粒子绕更小的环形加速器运动。
总而言之
对撞机越大，能够制造出的粒子的能量就越大。随着研究的需求越来越深入宇宙的根源，我们对对撞粒子的能量的要求驱使着我们去建造更大的粒子加速器。
回答于 2019-09-11 08:43:50
因为人类在量子力学上只有实验能力，没有理论推导能力。
回答于 2019-09-11 08:43:50
没兴趣
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