概述

发现高能物质的现代大型实验装置(加速器 对撞机)

粒子探测器

概述

高能物质是现代粒子散射实验中的炮弹，是研究物质基元结构的最有用的工具。而且可以说，到目前为止，几乎是粒子物理学家们唯一的工具，没有高能粒子的散射实验，近代物理几乎不会发展起来。早期的高能粒子来源于天然放射性元素如铀、镭等放出的高能射线。卢瑟福证明原子有核模型的散射实验用的就是镭放出的α粒子。后来的高能粒子源有所扩充，小居里夫妇发现了人工放射性，获得了诺贝尔奖，赫斯发现了能量极高的宇宙射线，与正电子的发现者安德森共同获得了诺贝尔奖（正电子是安德森利用云室从宇宙射线中发现的）。但从30年代开始，这些手段已经无法满足实验要求，50年代后，粒子加速器和对撞机等现代大型实验装置应运而生，大批粒子不断被发现。

发现高能物质的现代大型实验装置

50年代后，粒子加速器和对撞机等现代大型实验装置应运而生，大批粒子不断被发现。

加速器和对撞机的机理类似，都是利用电磁场来加速带电粒子。

加速器

早期的加速器有高压倍加器、回旋加速器、静电加速器等，后来又相继发明同步回旋加速器、高能粒子对撞机、直线加速器、电子感应加速器等。经过了60多年的努力，使人工获得的高能粒子能量提高了8个数量级，从几百keV到几十个TeV。

1930年，美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，并因此获得了诺贝尔奖，但由于相对论效应，粒子的加速会使质量增大，从而只能使粒子获得几百keV的能量。同步加速器的发明克服了这一缺点，美国费米实验室的质子同步加速器轨道半径为1km，利用超导磁场，可将质子加速到1TeV。同步加速器产生的同步辐射进一步限制了粒子能量的增大，故近年来物理学家们又开始发展直线加速器，因为直线运动的粒子没有同步辐射。

电子感应加速器是一种利用感生电场来加速电子的新型加速器，同步加速器适合加速重粒子（如质子），但是很难加速电子，感应加速器克服了这一困难。如今感应加速器中产生的γ射线可以做光核反应研究，还可以用于工业无损、探伤和医疗等领域。

先进的高能加速器和对撞机主要用于前沿科学，而低能加速器却已经广泛转为民用，在材料科学、固体物理、分子生物学、地理、考古等学科有重要应用。被加速的粒子可以通过辐照改变材料的性质或者诱发植物基因的突变培育新品种，可以诊断并治疗肿瘤，还可以生产大量同位素，用于工、农业生产。当然，加速器只能加速带电粒子，现如今广泛应用的中子探伤技术、中子干涉测量技术、中子非弹性散射等所用的中子是由核反应堆中产生的。

对撞机

20世纪的最后几十年是对撞机的时代，弱点统一理论预言的中间玻色子也在对撞机中被发现。欧洲质子对撞机对撞能量已达14TeV，并且已经开始建造更大型的对撞机，希望能够找到与质量起源联系密切的希格斯玻色子。对撞机还可以利用两个重粒子的对撞模拟宇宙大爆炸。

粒子探测器

在高能物质物理散射实验中，仅仅有高能粒子还不够，还必须有先进的粒子探测器来收集信息。粒子探测器是利用粒子与物质的相互作用原理来产生信号的。带电粒子在物质中运动的主要能量损失是电离损失，通过测量单位路程的能量损失可以判别粒子的类型。低能光子在物质中运动的主要能量损失是光电效应，其次较弱的因素还有康普敦散射、瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射等，能量大于1MeV的光子能量损失主要原因是产生了正负电子对。高能电子入射到物质中时，由于突然减速，会产生高能轫致辐射，高能光子又会激发正负电子对……如此产生一连串的连锁反应，可以形成电磁簇射，簇射深度称为辐射长度，与粒子能量和介质密度有关，高能光子也可以形成簇射。当带电粒子在介质中的速度大于介质中的光速时，会产生一种类似于声学中的“冲击波”一样的辐射，称为切连科夫辐射。切连科夫因为发现这种辐射而获得了诺贝尔奖。

利用这些相互作用原理，针对不同的要求，可以设计出不同类型和功能的粒子探测器。较早的有威尔逊云室，后来又发明了气泡室、乳胶室、多丝正比室、漂移室等，最后又发明了切连科夫探测器。超级神冈中微子探测器是专门用来探测宇宙中最难束缚的幽灵：中微子的，探测器用了50500吨水作为切连科夫探测器，探测到的光（切连科夫辐射）输入计算机。实验结果证实了中微子振荡的存在，并且揭示了太阳中微子的失踪之谜。这些探测器配合粒子加速器可以用来探测多种粒子的轨迹、能量、类型等，它们是加速器的眼睛。

粒子物理实验所得到的粒子散射截面等数据，结合大爆炸宇宙学恰好可以解释宇宙中元素的组成和相对丰度。137亿年前，宇宙诞生并开始膨胀，原始宇宙处于超高温和超高密度的状态，超高能光子激发出大量的粒子，光子们走不了几步就会与某个粒子（比如电子）碰撞，光根本透不出来，不得不与其它粒子形成了热平衡（平衡辐射又叫普朗克辐射）。过了漫长的50万年，辐射温度降到了几千度，光子不再与其他粒子碰撞，宇宙终于透明了。那么当年几千度的光子现在又怎么样了呢？