欧洲核子研究中心的大型强子对撞机不能让粒子跑得更快的三个原因( 三 ) 如果你的目标是发现一些全新

文章图片
2.) 质子的荷质比。如果你可以操纵物质的本质，你可以想象在保持电荷不变的情况下降低质子的质量。尽管我们在这里讨论的是相对论，但牛顿著名的方程F=ma足以说明，在相同的场和相同的力但质量较小的情况下，您可以获得更大的加速度。我们有一个与质子带相同电荷但质量低得多的粒子：带负电的电子及其反物质对应物正电子。电荷相同但质量仅为1/1836的情况下，它可以更快、更轻松地加速。
不幸的是，我们已经在大型强子对撞机现在所在的同一个环中尝试了加速电子和正电子的实验：它被称为LEP ，代表大型电子——正电子对撞机。虽然这些电子和正电子能够达到比大型强子对撞机上的质子更快的速度——299,792,457.992 m/s ，而质子约为 299,792,455 m/s——这些对应的能量比大型强子低得多对撞机的质子。

文章图片

文章图片
限制因素是一种称为同步辐射的现象。
当您在磁场中加速带电粒子时，它不仅会垂直于磁场方向和粒子的原始运动弯曲；它还发出电磁辐射。这种辐射将能量从快速移动的粒子带走，并且：
粒子移动得越快，
它的电荷越大, ，
它的质量越低，
磁场越强，
这种同步加速器辐射的能量越大。
对于质子这样的粒子，同步辐射仍然可以忽略不计，而对于电子或正电子这样的粒子，它已经是当前技术的限制因素。一个更好的解决方案是找到一个粒子，它介于电子和质子的质量之间，但具有相同的电荷。我们有一个：μ子，但问题是它不稳定，平均寿命只有2.2微秒。在我们能够像控制质子和电子（以及它们的反物质对应物）一样容易和成功地创造和控制 μ 子之前，质子的重质量或电子的同步加速器发射将是一个限制因素。

文章图片

文章图片
3.) 环的（固定）尺寸。在保持其他一切不变的情况下，您始终可以通过增加粒子加速器的尺寸来获得更高的能量。更大的半径意味着相同强度的磁铁和相同电荷和质量的粒子可以获得更高的能量：半径加倍，你可以达到的能量也加倍。事实上，万亿电子伏特加速器（每次碰撞达到 ~2 TeV 的能量）和大型强子对撞机（达到 ~14 TeV）之间的主要区别是：
他们的磁场强度（从~4.2特斯拉到~7.5特斯拉），
以及它们的环的周长（从~6.3 公里到~27 公里）。
你的环越大，你可以探测宇宙的能量就越高。这意味着有更多的能量可用于粒子创造（通过爱因斯坦的E = mc^2），更有可能观察到在较低能量下被抑制的稀有过程，并且更有可能发现一些全新的东西。虽然理论家经常争论在当前已知的边界之外可能存在或不可能存在什么，但实验主义者知道一个更基本的事实：自然就是它本来的样子，并且经常违背我们的期望。如果我们想知道外面有什么，找出答案的唯一方法就是观察。

文章图片

文章图片
如果可以克服这三个障碍中的任何一个——如果我们可以增加电磁体的最大强度，如果我们可以增加质子的荷质比（但不能增加太多），或者如果我们可以增加尺寸粒子遵循的圆形轨迹——我们可以在粒子碰撞中获得更高的能量，并突破目前探索的实验物理学前沿。就目前而言，我们在大型强子对撞机上寻找新物理学的最大希望将来自收集更多数据，通过增加粒子的碰撞率并长时间以增加的碰撞率运行。我们希望更多的数据将揭示一种微妙的影响，暗示一些超出目前预期的新事物。