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高能粒子
現代粒子散射實(shí)驗中的炮彈
高能粒子，是現代粒子散射實(shí)驗中的炮彈，是研究物質(zhì)基元結構的最有用的工具幾乎是粒子物理學(xué)家們唯一的工具，沒(méi)有高能粒子的散射實(shí)驗，近代物理幾乎不會(huì )發(fā)展起來(lái)。詞條介紹了高能粒子的來(lái)源、成分以及實(shí)驗相關(guān)內容。
簡(jiǎn)介
來(lái)源
高能粒子
盧瑟福證明原子有核模型的散射實(shí)驗用的就是鐳放出的α粒子。后來(lái)的高能粒子源有所擴充，小居里夫婦發(fā)現了人工放射性，獲得了諾貝爾獎，赫斯發(fā)現了能量極高的宇宙射線(xiàn)，與正電子的發(fā)現者安德森共同獲得了諾貝爾獎（正電子是安德森利用云室從宇宙射線(xiàn)中發(fā)現的）。
加速器和對撞機的機理類(lèi)似，都是利用電磁場(chǎng)來(lái)加速帶電粒子。早期的加速器有高壓倍加器、回旋加速器、靜電加速器等，后來(lái)又相繼發(fā)明同步回旋加速器、高能粒子對撞機、直線(xiàn)加速器、電子感應加速器等。經(jīng)過(guò)了60多年的努力，使人工獲得的高能粒子能量提高了8個(gè)數量級，從幾百keV到幾十個(gè)TeV。
太陽(yáng)活動(dòng)產(chǎn)生的高能粒子流，又稱(chēng)太陽(yáng)高能粒子。太陽(yáng)活動(dòng)主要是耀斑活動(dòng)。太陽(yáng)宇宙線(xiàn)的主要成分是質(zhì)子和電子，也包括少量其他核心成分。近年來(lái)的觀(guān)測已證實(shí)，有的耀斑也輻射中子。太陽(yáng)宇宙線(xiàn)并不是孤立的，它是收到星系的引力作用，激發(fā)出的內在 的粒子運動(dòng)，從而產(chǎn)生的光、磁看得見(jiàn)見(jiàn)的與看不見(jiàn)的射線(xiàn)。
成分
通過(guò)實(shí)驗手段對高能量基本粒子進(jìn)行的探測。從20世紀50年代開(kāi)始，由于高能加速器技術(shù)的發(fā)展，被加速粒子的能量越來(lái)越高，因此，在不同的時(shí)期，“高能”的定義是不同的。在60年代，幾吉電子伏就認為是屬于高能范圍。到了80年代，幾十吉電子伏以上才夠得上稱(chēng)為高能。為了著(zhù)重敘述高能粒子的探測方法，這里把幾吉電子伏能量的粒子認為是高能粒子。
在所有的高能粒子中，除了電子e和質(zhì)子p可以用加速器加速的辦法達到高能量以外,其他的高能粒子,如帶電的π±介子、K±介子、反質(zhì)子圴、Σ±超子、μ±子(也包括e和p)和不帶電的（即中性的）中子n、K 介子、Λ 超子、γ光子、J/ψ粒子、μ子中微子vμ、電子中微子ve等等，都只能在粒子的相互作用中產(chǎn)生。對于高能粒子相互作用，一般可表示成以下形式：A+B→C+D+E+F+…,A為入射的高能粒子，B為靜止的靶粒子（在A(yíng)B對撞的情況下，A和B在質(zhì)心系都為高能粒子），C、D、E、F等為A和B作用后產(chǎn)生的次級粒子。高能粒子探測的基本內容就是：記錄次級粒子數目,確定次級粒子本身的性質(zhì)(質(zhì)量、電荷、壽命)以及確定次級粒子的運動(dòng)量(能量、動(dòng)量、飛行方向)。
探測高能粒子的基本原理是依據帶電粒子與物質(zhì)原子的電離或激發(fā)作用，不同粒子有不同電離(和激發(fā))強度與動(dòng)量的關(guān)系曲線(xiàn)。現代的絕大多數探測器都是根據這個(gè)原理制成。帶電粒子可以直接被探測器（如核乳膠、氣泡室、流光室、多絲正比室；漂移室等）探測到，因此可直接測定其性質(zhì)。而中性粒子不能使物質(zhì)原子產(chǎn)生電離（或激發(fā)），因此必須通過(guò)間接方式來(lái)確定其性質(zhì)，如通過(guò)探測其衰變的帶電粒子或探測與物質(zhì)作用產(chǎn)生的帶電粒子。在某些情況下，還可利用高能帶電粒子的切倫科夫輻射效應、穿越輻射效應等作為探測原理。此外，由于各種粒子本身的性質(zhì)不同(如強子、光子和輕子等)，在探測方法上也有很大的差別。
需要確定哪些次級粒子性質(zhì)取決于實(shí)驗本身的要求。只要求測定一個(gè)次級粒子的性質(zhì)的實(shí)驗叫做單舉實(shí)驗；要求測定全部次級粒子的性質(zhì)的實(shí)驗叫做遍舉實(shí)驗。不管哪種實(shí)驗，對于要測定的具體次級粒子，一般都要求探測出它是什么粒子（亦即確定其質(zhì)量和電荷，有時(shí)還要求確定其壽命），它的動(dòng)量以及它的飛行方向，對于每個(gè)相互作用，通常還要求確定由作用產(chǎn)生的總的次級粒子數目。
實(shí)驗
1930年，美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，并因此獲得了諾貝爾獎，但由于相對論效應，粒子的加速會(huì )使質(zhì)量增大，從而只能使粒子獲得幾百keV的能量。
同步加速器產(chǎn)生的同步輻射進(jìn)一步限制了粒子能量的增大，故近年來(lái)物理學(xué)家們又開(kāi)始發(fā)展直線(xiàn)加速器，因為直線(xiàn)運動(dòng)的粒子沒(méi)有同步輻射。20世紀的最后幾十年是對撞機的時(shí)代，弱點(diǎn)統一理論預言的中間玻色子也在對撞機中被發(fā)現。歐洲質(zhì)子對撞機對撞能量已達14TeV，并且已經(jīng)開(kāi)始建造更大型的對撞機，希望能夠找到與質(zhì)量起源聯(lián)系密切的希格斯玻色子。對撞機還可以利用兩個(gè)重粒子的對撞模擬宇宙大爆炸。
電子感應加速器是一種利用感應電場(chǎng)來(lái)加速電子的新型加速器，同步加速器適合加速重粒子（如質(zhì)子），但是很難加速電子，感應加速器克服了這一困難。如今感應加速器中產(chǎn)生的γ射線(xiàn)可以做光核反應研究，還可以用于工業(yè)無(wú)損、探傷和醫療等領(lǐng)域。先進(jìn)的高能加速器和對撞機主要用于前沿科學(xué)，而低能加速器卻已經(jīng)廣泛轉為民用，在材料科學(xué)、固體物理、分子生物學(xué)、地理、考古等學(xué)科有重要應用。
被加速的粒子可以通過(guò)輻照改變材料的性質(zhì)或者誘發(fā)植物基因的突變培育新品種，可以診斷并治療腫瘤，還可以生產(chǎn)大量同位素，用于工、農業(yè)生產(chǎn)。當然，加速器只能加速帶電粒子，現如今廣泛應用的中子探傷技術(shù)、中子干涉測量技術(shù)、中子非彈性散射等所用的中子是由核反應堆中產(chǎn)生的。
實(shí)驗過(guò)程
在高能粒子物理散射實(shí)驗中，僅僅有高能粒子還不夠，還必須有先進(jìn)的粒子探測器來(lái)收集信息。粒子探測器是利用粒子與物質(zhì)的相互作用原理來(lái)產(chǎn)生信號的。帶電粒子在物質(zhì)中運動(dòng)的主要能量損失是電離損失，通過(guò)測量單位路程的能量損失可以判別粒子的類(lèi)型。
低能在物質(zhì)中運動(dòng)的主要能量損失是光電效應，其次較弱的因素還有康普敦散射、瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射等，能量大于1MeV的光子能量損失主要原因是產(chǎn)生了正負電子對。高能電子入射到物質(zhì)中時(shí)，由于突然減速，會(huì )產(chǎn)生高能軔致輻射，高能光子又會(huì )激發(fā)正負電子對……如此產(chǎn)生一連串的連鎖反應，可以形成電磁簇射，簇射深度稱(chēng)為輻射長(cháng)度，與粒子能量和介質(zhì)密度有關(guān)，高能光子也可以形成簇射。
當帶電粒子在介質(zhì)中的速度大于介質(zhì)中的光速時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一種類(lèi)似于聲學(xué)中的“沖擊波”一樣的輻射，稱(chēng)為切連科夫輻射。切連科夫因為發(fā)現這種輻射而獲得了諾貝爾獎。
實(shí)驗裝置
高能粒子
高能粒子實(shí)驗裝置指的是用以發(fā)現高能粒子并研究和了解其特性的主要實(shí)驗工具。高能物理實(shí)驗需要三大條件：一是粒子源；其次是探測器，用以觀(guān)察、記錄各種高能粒子，大體上可以分成電探測器和徑跡探測器兩類(lèi)；第三是用于信息獲取和處理的核電子學(xué)系統。
徑跡探測器包括云室、泡室等探測裝置。在歷史上，人們曾利用這類(lèi)探測器在科學(xué)上得到重要成果。例如，1932年，C.D.安德森用云室發(fā)現了正電子。1960年，中國科學(xué)家王淦昌發(fā)現反西格馬負超子所用的探測器就是24升丙烷泡室。但是，這類(lèi)探測器已不屬于現代的主要實(shí)驗裝置。
在同步加速器上進(jìn)行高能物理實(shí)驗，常使用前向譜儀。這是在束流前進(jìn)方向上有目的地安排一系列電探測器，包括閃爍描跡器、多絲正比室、漂移室、契侖科夫計數器、全吸收量能器等探測裝置。例如,用來(lái)發(fā)現J粒子的雙臂譜儀就是一種前向譜儀。
在對撞機上進(jìn)行高能物理實(shí)驗時(shí)，所用譜儀的安排則另有特點(diǎn)。探測器在結構上應盡可能地從各方面包住對撞區，形成接近4π的立體角。例如，束流管道外包以漂移室,再包以閃爍計數器,外面再包以簇射計數器。簇射計數器外面有大型磁鐵形成軸向磁場(chǎng)。磁鐵外面包以μ子計數器等，形成多層疊套結構。中國正在興建的第一臺正負電子對撞機上所用的探測裝置即屬此類(lèi)型。
所有這些探測高能粒子的實(shí)驗裝置，一般體積都在100～200米3以上，重量達數百?lài)崱Ｈ欢?其定位精度要求達到10-4米量級，定時(shí)精度達到10-10 秒量級,信號通道數達104～105,數據率到107位每秒量級，連續工作時(shí)間達103小時(shí)以上。因此,完成這樣高指標的信息測量工作，必須擁有龐大、復雜、精密的核電子學(xué)系統。
高能粒子
探測原理
利用這些相互作用原理，針對不同的要求，可以設計出不同類(lèi)型和功能的粒子探測器。較早的有威爾遜云室，后來(lái)又發(fā)明了氣泡室、乳膠室、多絲正比室、漂移室等，最后又發(fā)明了切連科夫探測器。
超級神岡中微子探測器是專(zhuān)門(mén)用來(lái)探測宇宙中最難束縛的幽靈：中微子的，探測器用了50500噸水作為切連科夫探測器，探測到的光（切連科夫輻射）輸入計算機。實(shí)驗結果證實(shí)了中微子振蕩的存在，并且揭示了太陽(yáng)中微子的失蹤之謎。這些探測器配合粒子加速器可以用來(lái)探測多種粒子的軌跡、能量、類(lèi)型等，它們是加速器的眼睛。
在137億年前，宇宙誕生并開(kāi)始膨脹，原始宇宙處于超高溫和超高密度的狀態(tài)，超高能光子激發(fā)出大量的粒子，光子們走不了幾步就會(huì )與某個(gè)粒子（比如電子）碰撞，光根本透不出來(lái)，不得不與其它粒子形成了熱平衡（平衡輻射又叫普朗克輻射）。
研究發(fā)現
參考資料
[1]
高能粒子 · 中華自然科學(xué)網(wǎng)[引用日期2021-07-21]
[2]
天問(wèn)一號火星能量粒子分析儀首個(gè)科學(xué)成果發(fā)布 · 和訊網(wǎng)[引用日期2022-08-09]
高能粒子相關(guān)的文章
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這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
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