一個「介子加速器」如何能夠揭示人的「存在」？

2023-04-02 02:12:55 1

公眾對宇宙的看法，人類是物理學中最大的謎團之一人類是由正常的粒子組成的，比如電子，但是每一個這樣的粒子都有一個反物質伴侶，它實際上和自身一樣，但是帶相反的電荷。當物質和反物質接觸時，它們會相互湮滅物理學家認為，大爆炸中產生的物質和反物質的數量幾乎相等。那麼，為什麼今天幾乎只剩下材料了？最近，科學家們的新研究使科學家們能夠建造一種新型的加速器，這種加速器基於一種叫做介子的粒子，可以幫助我們找到答案。

介子

介子幾乎和電子一樣，但它比電子重207倍更重要的是，它在百萬分之二秒內衰變為其他粒子。雖然這個時間對我們來說很短，但對一個不穩定的基本粒子來說卻是相當長的時間，這就解釋了為什麼介子構成了幾乎所有到達地球表面的帶電宇宙射線。

我們在最短距離內研究物質結構的能力在很大程度上依賴於粒子束的產生和加速到高能。然而，只有四種穩定的粒子可以這樣使用:電子和它們的反粒子(正電子)，質子和它們的反粒子(反質子)由這些粒子組成的粒子束已經使用了很多年，但是兩對粒子束都有缺點。電子及其配偶非常輕。當我們試圖加速它們時，它們放射出電磁能量，所以很難達到我們需要的那種能量來增進我們對宇宙的了解。

與電子的不同之處在於質子和反質子由更基本的粒子組成-夸克和膠子在質子和反質子的碰撞中，是這些基本粒子碰撞，導致了比質子是真正的基本粒子時更低的能量碰撞。

因為介子足夠重，輻射的能量要少得多，但是它們是基本單位，不是由更小的粒子組成的，所以它們所有的能量都可以用於研究。當科學家用質子創造諾貝爾獎得主希格斯粒子時，他們需要一臺直徑10公裡的機器:大型強子對撞機。然而，介子機器可以做到這一點，只要它的周長是200米。

介子的缺點是，與電子和質子不同，它們是不穩定的，需要製造出來，然後在它們全部衰變之前迅速使用。我們可以用窄而高強度的質子束將其注入金屬靶，如鈦，來產生介子。這產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質子束看起來像一個雷射指示器，那麼介子束看起來更像一個火炬束，它的強度隨著距離的增加而迅速降低。然後介子衰變產生介子，導致光束傳播更廣，就像燈泡一樣

我們不能在像大型強子對撞機這樣的機器上加速這樣的光束，所以我們需要創造一個傳播更少的光束這是一個挑戰，因為我們只有百萬分之二秒的時間來產生、加速和碰撞它。一個由來自世界各地的物理學家和工程師組成的團隊——被稱為「介子電離冷卻實驗」(MICE)——現在已經證明這是可能的科學家使用一種叫做冷卻的方法來幫助壓縮光束。這包括在-250℃的液態氫容器中轉移介子來減緩粒子的速度。然後，我們讓它們通過一個電磁腔，以所需的方向加速光束。

通過多次重複這一過程，就有可能產生擴散較少、核密度較高的光束該束可以注入粒子加速器，產生高能介子束。這種中微子束要麼被碰撞，要麼繼續傳播，直到介子衰變為強烈的中微子束——遠遠超過目前能產生的任何中微子束。

探索宇宙

事實上，介子產生的中微子束是計劃中的中微子工廠的一部分，這將使我們能夠回答許多有關宇宙起源和演化的問題，例如物質和反物質之間神秘的不平衡。

中微子也能幫助我們理解生命的基本元素，如氧、碳和矽，它們在恆星中形成，並在宇宙中傳播。這些較重的元素不是在大爆炸中產生的，而是與我們生活的星球和我們周圍的所有生命密切相關。我們知道恆星爆炸(超新星)中釋放的中微子爆炸是罪魁禍首

我們也可以用大型強子對撞機中質子碰撞的方法來碰撞兩個介子。例如，由於介子比質子簡單，希格斯粒子的性質可以更精確地確定。介子的性質也使它成為材料物理領域中一個有價值的工具產生更緊密聚焦的光束的能力可以改進當前的測量方法，並開闢新的診斷方法。我們的方法也可以用來幫助增加任何其他帶電粒子束的強度。這是一個持續了十多年的長期項目，未來將會發現更多關於介子的秘密。最後，它有望揭示人類的本質，甚至宇宙的本質。