[科普中国]-高能粒子

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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。

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。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。

太阳活动产生的高能粒子流，又称太阳高能粒子。太阳活动主要是耀斑活动。太阳宇宙线的主要成分是质子和电子，也包括少量其他核成分。近年来的观测已证实，有的耀斑也辐射中子。 太阳宇宙线并不是孤立的，它是收到星系的引力作用，激发出的内在 的粒子运动，从而产生的光、磁等看的见的与看不见的射线。

成分通过实验手段对高能量基本粒子进行的探测4。从20世纪50年代开始，由于高能加速器技术的发展，被加速粒子的能量越来越高，因此，在不同的时期，“高能”的定义是不同的。在60年代，几吉电子伏就认为是属于高能范围。到了80年代，几十吉电子伏以上才够得上称为高能。为了着重叙述高能粒子的探测方法，这里把几吉电子伏能量的粒子认为是高能粒子。

在所有的高能粒子中，除了电子e和质子p可以用加速器加速的办法达到高能量以外,其他的高能粒子,如带电的π±介子、K±介子、反质子圴、Σ±超子、μ±子(也包括e和p)和不带电的（即中性的）中子n、K 介子、Λ 超子、γ光子、J/ψ粒子、μ子中微子vμ、电子中微子ve等等，都只能在粒子的相互作用中产生。对于高能粒子相互作用，一般可表示成以下形式：A+B→C+D+E+F+…,A为入射的高能粒子，B为静止的靶粒子（在AB对撞的情况下，A和B在质心系都为高能粒子），C、D、E、F等为A和B作用后产生的次级粒子。高能粒子探测的基本内容就是：记录次级粒子数目,确定次级粒子本身的性质(质量、电荷、寿命)以及确定次级粒子的运动量(能量、动量、飞行方向)。
探测高能粒子的基本原理是依据带电粒子与物质原子的电离或激发作用，不同粒子有不同电离(和激发)强度与动量的关系曲线。现代的绝大多数探测器都是根据这个原理制成。带电粒子可以直接被探测器（如核乳胶、气泡室、流光室、多丝正比室；漂移室等）探测到，因此可直接测定其性质。而中性粒子不能使物质原子产生电离（或激发），因此必须通过间接方式来确定其性质，如通过探测其衰变的带电粒子或探测与物质作用产生的带电粒子。在某些情况下，还可利用高能带电粒子的切伦科夫辐射效应、穿越辐射效应等作为探测原理。此外，由于各种粒子本身的性质不同(如强子、光子和轻子等)，在探测方法上也有很大的差别。
需要确定哪些次级粒子性质取决于实验本身的要求。只要求测定一个次级粒子的性质的实验叫做单举实验；要求测定全部次级粒子的性质的实验叫做遍举实验。不管哪种实验，对于要测定的具体次级粒子，一般都要求探测出它是什么粒子（亦即确定其质量和电荷，有时还要求确定其寿命），它的动量以及它的飞行方向，对于每个相互作用，通常还要求确定由作用产生的总的次级粒子数目。

实验加速器实验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5。

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。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。

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。6

实验过程在高能粒子物理散射实验中，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7。

低能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。

实验装置高能粒子实验装置指的是用以发现高能粒子并研究和了解其特性的主要实验工具。高能物理实验需要三大条件：一是粒子源；其次是探测器，用以观察、记录各种高能粒子，大体上可以分成电探测器和径迹探测器两类；第三是用于信息获取和处理的核电子学系统。

径迹探测器包括云室、泡室等探测装置。在历史上，人们曾利用这类探测器在科学上得到重要成果。例如，1932年，C.D.安德森用云室发现了正电子。1960年，中国科学家王淦昌发现反西格马负超子所用的探测器就是24升丙烷泡室。但是，这类探测器已不属于现代的主要实验装置。

在同步加速器上进行高能物理实验，常使用前向谱仪。这是在束流前进方向上有目的地安排一系列电探测器，包括闪烁描迹器、多丝正比室、漂移室、契仑科夫计数器、全吸收量能器等探测装置。例如,用来发现J粒子的双臂谱仪就是一种前向谱仪。

在对撞机上进行高能物理实验时，所用谱仪的安排则另有特点。探测器在结构上应尽可能地从各方面包住对撞区，形成接近4π的立体角。例如，束流管道外包以漂移室,再包以闪烁计数器,外面再包以簇射计数器。簇射计数器外面有大型磁铁形成轴向磁场。磁铁外面包以μ子计数器等，形成多层叠套结构。中国正在兴建的第一台正负电子对撞机上所用的探测装置即属此类型。

所有这些探测高能粒子的实验装置，一般体积都在100～200米3以上，重量达数百吨。然而,其定位精度要求达到10-4米量级，定时精度达到10-10 秒量级,信号通道数达104～105,数据率到107位每秒量级，连续工作时间达103小时以上。因此,完成这样高指标的信息测量工作，必须拥有庞大、复杂、精密的核电子学系统。

探测原理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）。