近日, 大型強子對撞機又火了, 歐洲核子研究中心的研究人員用它加速了帶有單個電子的 '鉛原子' , 這是該大型設備首次用於加速這類 '鉛原子' .
作為世界上最大的粒子加速器, 2009年啟動運行以來, 大型強子對撞機的日常工作是加速質子和完全剝離的鉛原子核.
電子很小 難度很大
由於粒子加速器的工作原理是帶電粒子在電場中受力而得到加速, 進而提高能量, 因此不帶電的中性粒子不可能被加速. 要想加速粒子, 就必須將其變成帶電粒子, 這樣它才能與加速器電場中的力相互作用而被加速.
眾所周知, 原子由原子核和圍繞原子核運動的電子組成, 原子核又是由質子和中子組成. 其中, 每一個質子帶一個單位的正電荷, 中子不顯電性, 每一個電子帶一個單位的負電荷, 完整原子的正負電荷數相等, 處於一個平衡狀態, 只要剝離一個電子, 這個 '原子' 就會失去平衡變成帶正電荷的離子.
在本次實驗中, 研究人員先在電子環形共振裝置內將鉛原子的82個電子剝離到只剩一個, 使鉛原子變成帶正電荷的離子, 然後再對其進行加速.
此前, 大型強子對撞機從未加速過帶電子的原子核. 在歐洲核子研究中心超高能重離子對撞實驗大型國際合作組中方課題協調人, 華中師範大學教授周代翠看來, 加速帶有一個電子的 '鉛原子' 難度相當大. '在加速器環內運動的時候, 如果環內的真空度不高, 一方面有可能把這一個電子撞掉, 從而改變被加速 '原子' 的電荷狀態, 導致實驗失敗; 另一方面正在被加速的 '原子' 也可能與其他原子發生碰撞, 這樣就會對環形管壁造成強烈的破壞, 那將是很大的事故. ' 周代翠說道.
與此同時, 大型強子對撞機工程師米凱拉·紹曼也持有類似的看法. 他表示, 加速帶有電子的原子核很有挑戰性, 因為很容易將電子意外剝離, 當這種情況發生時, 原子核就會撞到離子束所在的管壁.
此外, 周代翠還指出, 除了加速環真空度要求極高以外, 被加速 '原子' 的荷質比也直接關係到其加速的難度. 所謂荷質比是指原子核的電荷量和原子質量的比值. '當被加速粒子的荷質比為1時, 也就是電荷量與質量相同時, 加速相對容易; 荷質比越小, 加速越困難. 鉛原子核的荷質比大約為0.39, 它的加速難度就非常大. ' 周代翠說.
舊方法 新能級
歐洲核子研究中心發布的新聞公報說, 這項試驗是為了檢驗 '伽馬射線工廠' 設想的可行性, 將來有可能用大型強子對撞機產生高強度伽馬射線.
所謂伽馬射線是一種波長極短的高能電磁波, 它在基礎科學與應用科學領域都有廣泛的應用. 上世紀70年代以來, 美國, 英國, 法國, 日本和俄羅斯都採用雷射光子撞擊環形運動電子的手段來產生伽馬射線, 這種射線的最高能量可以達到幾個GeV (十億電子伏特) .
'當前大型強子對撞機上的這項試驗就是利用現有的加速器設備, 將保留一個電子的原子核作為載體, 先對其進行加速, 然後用雷射光子轟擊高速轉動的 '原子' , 使其躍遷到激發態. 電子從高激發態向低激發態躍遷的時候, 會釋放出一個光子, 這就是伽馬射線. 但是由於 '原子' 已經被加速到TeV (萬億電子伏特) 能級以接近光速的速度運動, 釋放出的光子的能量和強度都會大幅提高, 相對傳統的雷射光子撞擊環形加速的電子的伽馬射線源方法, 這一新概念下的伽馬射線強度將是傳統伽馬射線源強度的千萬倍以上. ' 周代翠說.
周代翠表示, 與傳統方法產生的伽馬射線相比, 這次試驗產生的伽馬射線在能量, 強度, 用途等方面都大不一樣. 這種伽馬射線既可以直接應用, 又具有足夠的能量來產生通常的 '物質' 粒子, 例如夸克, 電子等. 這些高能伽馬射線會變成大質量的粒子, 甚至可以變成新的物質, 如暗物質. 它們也可以是新型粒子束的來源, 例如μ子束, 甚至極化的正負電子, 極化的muon子, 中微子, 中子, 向量介子, 放射性離子等. 它在基礎物理前沿研究, 現代技術和應用領域都有廣泛的應用前景, 甚至有科學家稱它 '可能在未知的基礎物理和工業應用領域開闢新的研究機會' .
