说点粒子物理(二) (转载) fft

aif
我不是何足道 2003-07-04 字数 0

我们要研究基本粒子, 那我们做实验用的这些粒子从哪里来呢?

我们比较熟悉的电子最好获得了. 比如一块金属片, 里面的电子和金属离子

结合在一起, 只要我们加热金属片, 里面的一些电子获得能量大于束缚它的

电离能的时候, 它们就跑出来了. 如果我们在它们附近置一穿孔的阳极板吸

引它们, 当它们的穿过板的时候就形成了电子束了. 这个东西做得精致一些

就是我们平时用来看<<笑熬浆糊>>的电视显象管以及上bbs必不可少的显示器

里重要的电子枪了.

光有电子还不行, 我们要研究的粒子花样多得多了. 我们研究的粒子来源主

要有三个方面:

A. 粒子加速器. 我们可以容易的得到电子和质子(把氢原子电离以后就是电子

和质子了, 去掉电子就是质子). 然后我们象电子枪那样把它

们形成束流并加速, 加速到比较高的能量, 然后用这枪去打

靶(可以是各种金属比如黄金,白银, 也可以是便宜的碳等等)

, 然后这些粒子就和靶物质里的粒子相互作用了, 打出了各种

新的粒子. 好多带电粒子, 还有不同的质量. 好了, 回想高

中学过的物理, 在磁场里可以根据不同的质量和电荷把粒子

分开. 电荷相反的在垂直于磁场的平面里向不同的方向转圈,

而电荷相同质量不同的则转不同大小的圈, 于是带电粒子就

分开了. 把不要的用吸收物质吸收掉, 我们就得到我们要的

了. 如果需要还可以用这些粒子再打靶得到别的我们想要的

粒子... 现在我们在加速器实验里常用的电子正电子, 质子

和反质子在类似以上过程产生以后, 加速到一定的能量, 因

为它们的都是寿命长的"稳定"粒子(通过衰变变成别的粒子的

�              时间巨长以至于我们可以认为它们永远健康,), 我们就同样根

据在与其运动方向相垂直的磁场里带电粒子要转圈的道理建

一个环形的管道, 让这些粒子在磁场约束下在管子里转圈

(这个圈业内人士叫储存环), 等我们要用的时候再把它们从

圈子里引出来, 在此之前我们还可以在它们转的时候把它们

加速到很高的我们需要的能量. 目前为止我们还只提到了用

粒子打静止的靶物质, 可是咱们还听说正负电子对撞机什么

的. 这其实是两种加速器实验, 顾名思意, 一个是固定靶实

验, 另一个让粒子对头碰撞叫对撞实验. 随着粒子物理发展,

要求加速器的能量越高越好(原因另外再说). 原来因为技术

原因我们只能做固定靶实验, 因为对撞的话把两团粒子瞄准

实在是件技术上的难题. 可是想象一辆汽车撞停着的另一辆

汽车, 和两辆汽车对撞哪个效果显著? 所以要追求更大的有

效能量, 减小加速器的尺寸, 物理学家开始采用对撞机. 比

如欧洲粒子物理中心的已经运行结束的大型正负电子对撞机(LEP),

就是让正电子和负电子在一个27公里周长的储存环里相反方

向的跑, 然后分四个实验点让它们碰撞. 对撞机储存环还有

个好处就是粒子团一次没瞄准撞上, 调整一下, 绕一圈再来.

实际上, 三十年河东, 三十年河西, 现在物理学家又开始打

直线加速器的主意. 因为带电粒子在做圆周运动时, 因为是

加速运动, 所以会辐射光子的电磁辐射而损失能量.而且加速

的能量越高损失越大因此环形加速器可以加速的能量会存在

一个限度. 直线加速器就没有这个限度, 只要克服尺寸问题,

就可以获得比环形加速器更高的能量. 比较诱人. 目前德国

DESY研究所和美国SLAC实验室已经在搞这个了.

现在说为啥能量越要越高. 首先根据能量守恒定律和相对论

的质量能量转换关系, 要撞出越重的粒子, 需要的能量也就

越高. 比如粒子A撞粒子B, 比方说只产生C粒子.那A的静止质

量质量对应的能量和A的动能加B的静止质量对应的能量和B的

动能应该等于C的静止质量对应的能量加C的动能. 由此可见

A和B的静止质量已经定了, 要得到重质量的C, 就需要提高

A和B的能量了. 粒子发现的历史也可以说明, 质量越轻的粒子

总是越先被发现. 另一方面, 粒子能量越高, 碰撞时它们的

就可以靠得越近, 若要研究很小尺度上粒子的相互作用就需

要很高的能量. 而且根据量子力学, 这些小粒子都对应着具

有与其动量(高能时可以看做和能量成正比)成反比的波长的

物质波(就是所谓波粒二象性). 你想写的字越小, 你用的笔

尖就要越细. 一个道理, 你想研究的结构尺度越小, 你用的

探针的尺度就要越小, 换句话就是物质波的波长越短, 于是

要求对应的能量就越高.

B. 核反应堆.   当核反应堆中的放射性的原子核衰变的时候会放射出各种各

样的粒子, 比如中子, 中微子, α射线, β射线,γ射线等等

... 这也是常用的粒子源. 尤其是利用核反应堆产生的中微

子是目前中微子实验的一个重要的粒子源.

C. 宇宙线.     虽然我们肉眼看不见, 可是有个事实就是我们地球一直在洗

"淋浴", 当头浇下来的就是来自地外宇宙空间的宇宙线粒子.

关于这些粒子的起原一直是个大问题, 悬而未决. 这些宇宙

线的组成有约90%是质子, 其他是氦核或重原子核等, 比如铁

原子核. 还有X射线光子和γ光子. 这些粒子除了中微子几乎

不和别的物质作用, 到处乱穿, 其他的粒子在进入大气层的

时候一般会和大气中的原子核发生核作用等, 生成次级粒子,

次级粒子能量足够高又会继续产生新的粒子...于是一个粒子

发展下来会形成一阵次级粒子"雨"了. 这叫大气簇射. 我们

可以通过探测这些次级粒子, 从而研究原初粒子的性质及有

关的物理. 宇宙线作为粒子源的好处在于, 一方面它们是免费

的, 不要钱的东西总是那么吸引人, 尤其对于贫穷的物理学家;

另一方面它们的能量可以远远高于地球上粒子加速器可以达

到的最高能量. 但因为研究宇宙线是"靠天吃饭", 所以不可以

对它们象控制加速器里粒子束流那样随意, 而且因为它的流量

密度有限, 打到我们尺度有限的探测器上的概率比较小, 所以

"免费的午餐"也不是那么好吃, 需要耐心和运气.

累死我了, 休息十天半月再说. 不好看, 我也没办法. sigh...

DEP.THU 清华工程物理系