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一个“介子加速器”如何能够揭示人的“存在”?

时间:2020-03-21 11:56:26 作者: 来源:51区未解之谜网 手机阅读

公众对宇宙的看法,人类是物理学中最大的谜团之一人类是由正常的粒子组成的,比如电子,但是每一个这样的粒子都有一个反物质伴侣,它实际上和自身一样,但是带相反的电荷。当物质和反物质接触时,它们会相互湮灭物理学家认为,大爆炸中产生的物质和反物质的数量几乎相等。那么,为什么今天几乎只剩下材料了?最近,科学家们的新研究使科学家们能够建造一种新型的加速器,这种加速器基于一种叫做介子的粒子,可以帮助我们找到答案。

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介子

介子几乎和电子一样,但它比电子重207倍更重要的是,它在百万分之二秒内衰变为其他粒子。虽然这个时间对我们来说很短,但对一个不稳定的基本粒子来说却是相当长的时间,这就解释了为什么介子构成了几乎所有到达地球表面的带电宇宙射线。

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我们在最短距离内研究物质结构的能力在很大程度上依赖于粒子束的产生和加速到高能。然而,只有四种稳定的粒子可以这样使用:电子和它们的反粒子(正电子),质子和它们的反粒子(反质子)由这些粒子组成的粒子束已经使用了很多年,但是两对粒子束都有缺点。电子及其配偶非常轻。当我们试图加速它们时,它们放射出电磁能量,所以很难达到我们需要的那种能量来增进我们对宇宙的了解。

与电子的不同之处在于质子和反质子由更基本的粒子组成-夸克和胶子在质子和反质子的碰撞中,是这些基本粒子碰撞,导致了比质子是真正的基本粒子时更低的能量碰撞。

因为介子足够重,辐射的能量要少得多,但是它们是基本单位,不是由更小的粒子组成的,所以它们所有的能量都可以用于研究。当科学家用质子创造诺贝尔奖得主希格斯粒子时,他们需要一台直径10公里的机器:大型强子对撞机。然而,介子机器可以做到这一点,只要它的周长是200米。

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介子的缺点是,与电子和质子不同,它们是不稳定的,需要制造出来,然后在它们全部衰变之前迅速使用。我们可以用窄而高强度的质子束将其注入金属靶,如钛,来产生介子。这产生了另一束叫做介子的基本粒子介子形成扇出光束如果最初的质子束看起来像一个激光指示器,那么介子束看起来更像一个火炬束,它的强度随着距离的增加而迅速降低。然后介子衰变产生介子,导致光束传播更广,就像灯泡一样

我们不能在像大型强子对撞机这样的机器上加速这样的光束,所以我们需要创造一个传播更少的光束这是一个挑战,因为我们只有百万分之二秒的时间来产生、加速和碰撞它。一个由来自世界各地的物理学家和工程师组成的团队——被称为“介子电离冷却实验”(MICE)——现在已经证明这是可能的科学家使用一种叫做冷却的方法来帮助压缩光束。这包括在-250℃的液态氢容器中转移介子来减缓粒子的速度。然后,我们让它们通过一个电磁腔,以所需的方向加速光束。

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通过多次重复这一过程,就有可能产生扩散较少、核密度较高的光束该束可以注入粒子加速器,产生高能介子束。这种中微子束要么被碰撞,要么继续传播,直到介子衰变为强烈的中微子束——远远超过目前能产生的任何中微子束。

探索宇宙

事实上,介子产生的中微子束是计划中的中微子工厂的一部分,这将使我们能够回答许多有关宇宙起源和演化的问题,例如物质和反物质之间神秘的不平衡。

中微子也能帮助我们理解生命的基本元素,如氧、碳和硅,它们在恒星中形成,并在宇宙中传播。这些较重的元素不是在大爆炸中产生的,而是与我们生活的星球和我们周围的所有生命密切相关。我们知道恒星爆炸(超新星)中释放的中微子爆炸是罪魁祸首

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我们也可以用大型强子对撞机中质子碰撞的方法来碰撞两个介子。例如,由于介子比质子简单,希格斯粒子的性质可以更精确地确定。介子的性质也使它成为材料物理领域中一个有价值的工具产生更紧密聚焦的光束的能力可以改进当前的测量方法,并开辟新的诊断方法。我们的方法也可以用来帮助增加任何其他带电粒子束的强度。这是一个持续了十多年的长期项目,未来将会发现更多关于介子的秘密。最后,它有望揭示人类的本质,甚至宇宙的本质。

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