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粒子加速器怎么加速粒子 粒子加速器的加速度

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粒子加速器怎么加速粒子 粒子加速器的加速度

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今天我們說速度，在我們生活的世界中有一個速度極限，那就是真空中光傳播的速度，當人類在上世紀知道了這個基本原理之后，就一直試圖想接近，甚至想超過這個極限速度 。
我們知道真空中的光速為每秒2億9千9百7十9萬2千4百5十8米，也就是我們常說的C，這是宇宙中所有無質量粒子天生所具有的速度，除了光子以外，還有8個膠子，它們是傳遞強力的作用粒子，當然還有引力子，它們生下來都在以光速運動 。
不過可惜的是，構成世界萬物的粒子并不是上面的這些玻色子，而是有質量的費米子，只要有質量，狹義相對論就限制它不能達到光速，更不能超過光速，原因也很簡單，因為物理學不允許破壞現實的因果性，所以我們必須堅持光速極限這個基本原理 。
話雖這么說，但是我們還是想讓有質量的費米子打破光速極限！相信你曾經有聽過中微子超光速的報道，中微子的自旋是1/2，半整數，所以它是費米子，和電子一樣是輕子家族中的一員，是我們目前所知質量最低的一個基本粒子，就連宇宙第二輕的電子比中微子都重了數十萬倍 。
所以當時中微子超光速的報道一出來，震驚科學界，因為人們覺得中微子很小，它可能還真就超光速了，但后來發現這完全是一場熱鬧，是我們的實驗數據搞差了 。
不過人類一直以來還是沒有放棄過超光速的想法，雖然我們在自然界找不到超光速粒子，但我們在實驗室還有一個強大的工具，粒子加速器，顧名思義，就是提高粒子速度或者是能量的一種設備 。
其實粒子加速器建造的目的并不是為了驗證宇宙的速度極限，也不是為了打破速度極限，而是為了了解物質結構，尋找新粒子的大型設備，不過這個實驗的過程也是我們人類創造極限速度的場所 。那問題是我們是怎樣通過加速器加速粒子的？
粒子加速器是怎樣加速粒子的？
加速器也叫對撞機，最早的對撞機模型可以追溯到上世紀在曼徹斯特工作的盧瑟福，時間大約是1907年，這一年它用α粒子撞擊金箔，觀察了大量的α粒子被金原子散射以后的偏轉的角度，通過這個實驗，他知道了原子的質量絕大部分都集中在一個很小的核心里面，電子圍繞這個核心運轉，這是人類對原子結構最重要的一次探查 。
那么作為探針的α粒子是怎么來的？當時盧瑟福使用的α源是放射性鐳元素，鐳可以自然的釋放出α粒子，速度大約為2.5×10?米/秒，約為光速的1/10，那么當時盧瑟福就使用這種速度的α粒子，就了解了原子的內部結構 。
但是隨著科學的發展，人們想要了解原子內部的粒子結構，甚至是想知道這些粒子它本身內部的結構，那要怎么辦？
很簡單，現在有一輛汽車，你想要知道這個汽車內部的組成成分，只需要把它拆開看一下就行了，但是亞原子粒子很小，這么細的活我們干不了，所以有一個簡單粗暴的辦法就是把它撞碎 。跟砸核桃一樣，想看到里面的東西，就要把它敲開就可以了 。
但是由放射性原子釋放出來的粒子，它的速度不行，撞不開原子核，更不可能把組成原子核的粒子撞碎，所以人們就想有沒有什么辦法能給帶電粒子提提速？所以粒子加速器就出現了 。
那如何給帶電粒子提速呢？這很簡單，因為它帶電，所以我們只需要給他提供一個電場就可以了，那電場又怎么來？也很簡單，現在你把兩個平行的金屬板接到一個正負極上，也就是給施加一個電壓，那么在金屬板之間就會創造一個均勻的電場 。
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現在我們把一個帶電粒子放到電場中，帶電粒子就會受到電場力的作用產生一個加速度，那電場力的大小就等于帶電粒子的電荷乘以電場強度，電場強度可以有電壓除以兩個金屬板之間的距離得出，所以我們就可以很簡單的算出一個帶電粒子在電場中的加速情況 。
我們知道力除了大小還有方向，因為我們規定電場的方向，或者說是電場線的方向是從正電荷向外然后到負電荷，所以帶正電粒子在電場中的受力方向就跟電場方向是一樣的，那帶負電的肯定就和電場方向相反了 。
現在我們知道了如何給帶電粒子提速，那接下來的問題是具體要怎樣操作？你看，要想讓粒子在加速器中獲得最大的能量，就需要讓他多次經過電場給他提速，這樣的話它獲得加速的時間就長一些，所以它的速度就會更快 。
那如果我們現在把粒子加速器設計成一條直線的話，可以肯定的是粒子獲得加速的機會就會非常有限，這樣的設計肯定不合理 。
那有沒有這樣一種可能，我們把粒子的軌跡限制在一個環形的跑道上，這樣它就能多次地經過環形軌道上的電場，獲得更多加速的機會 。
實際情況還真是這樣的，這樣設計叫回旋加速器，目前歐洲核子中心的大型強子對撞機就是這種環形跑道 。
但問題是，我們要想把粒子的軌跡掰彎就需要給它施加一個和運動方向垂直的力，而且隨著粒子的加速，這個力還需要不斷地調整以適應粒子的速度，這樣才能保證雖然粒子的速度在增加，但它始終在一個固定的圓周上運動，而不至于撞到加速器的管道壁上 。
那有沒有一種力，來滿足我們的要求？有，就是磁場力，靜止的帶電粒子在磁場中不受力，但只要帶電粒子運動起來，并且它的運動方向和磁場方向垂直的話，就會受到和運動方向垂直的、且最大的磁場力 。
在給定磁場中，磁場力的大小就和帶電粒子的電荷、以及運動速度成正比，所以只要給加速器圓環中施加一個磁場，就可以把帶電粒子掰彎，讓他做環形運動 。
問題是，這個磁場它需要適時變化，所以固定的磁場是不行的，必須使用電磁體來提供磁約束 。
電磁體產生的磁場強度跟電流是成正比的，所以我們可以調節電流大小，來控制磁場強度去適應粒子速度的變化，保證粒子不會撞到加速器的管壁上 。那么為了磁場強度足夠大，所以在加速器中我們使用的超導磁體 。
好，我們現在把電場加速和磁約束結合在一起，這就是粒子加速器，加速粒子的基本原理了 。
我們接著說，人類的速度極限
美國費米實驗室的質子和反質子加速器，它的環形軌道周長6.26公里，它是在一個方向上的真空管道中加速粒子，在相反的方向上的真空管道中加速反粒子 。
然后讓它倆在探測器中碰撞，看會產生哪些新的亞原子粒子？當然通過費米實驗室的加速器我們發現了頂夸克、精確測量了W玻色子的質量，以及發現了陶中微子，同時創造的速度極限是，光速的99.999956% 。
【粒子加速器怎么加速粒子 粒子加速器的加速度】目前歐洲核子研究中心的大型強子對撞機保持著粒子最高能量的記錄，其加速質子的速度最高達到了每秒2億9千9百7十9萬2千4百5十5米，99.9999991%C，比光速只慢了3米/秒 。
但這個速度并不是我們創造得最快的粒子！
LEP大型正負電子對撞機，雖然它的能量只有LHC能量的1/33，但一個質子的質量大約是一個電子的2000倍！所以在LEP中，電子的速度達到了每秒2億9千9百7十9萬2千4百5十7.9964米的最高速度，99.99999988%C，比光速慢了3.6毫米/秒！因此，構成我們世界的所有質子和電子，依然受到狹義相對論的約束 。