作為世界上最大的粒子加速器，2009年啟動(dòng)運(yùn)行以來，大型強(qiáng)子對撞機(jī)的日常工作是加速質(zhì)子和完全剝離的鉛原子核。

電子很小 難度很大

由于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(jìn)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(yùn)動(dòng)的電子組成，原子核又是由質(zhì)子和中子組成。其中，每一個(gè)質(zhì)子帶一個(gè)單位的正電荷，中子不顯電性，每一個(gè)電子帶一個(gè)單位的負(fù)電荷，完整原子的正負(fù)電荷數(shù)相等，處于一個(gè)平衡狀態(tài)，只要?jiǎng)冸x一個(gè)電子，這個(gè)“原子”就會失去平衡變成帶正電荷的離子。

在本次實(shí)驗(yàn)中，研究人員先在電子環(huán)形共振裝置內(nèi)將鉛原子的82個(gè)電子剝離到只剩一個(gè)，使鉛原子變成帶正電荷的離子，然后再對其進(jìn)行加速。

此前，大型強(qiáng)子對撞機(jī)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(shí)驗(yàn)大型國際合作組中方課題協(xié)調(diào)人、華中師范大學(xué)教授周代翠看來，加速帶有一個(gè)電子的“鉛原子”難度相當(dāng)大?！霸诩铀倨鳝h(huán)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，如果環(huán)內(nèi)的真空度不高，一方面有可能把這一個(gè)電子撞掉，從而改變被加速‘原子’的電荷狀態(tài)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗；另一方面正在被加速的‘原子’ 也可能與其他原子發(fā)生碰撞，這樣就會對環(huán)形管壁造成強(qiáng)烈的破壞，那將是很大的事故?！敝艽湔f道。

與此同時(shí)，大型強(qiáng)子對撞機(jī)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(zhàn)性，因?yàn)楹苋菀讓㈦娮右馔鈩冸x，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，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(huán)真空度要求極高以外，被加速“原子”的荷質(zhì)比也直接關(guān)系到其加速的難度。所謂荷質(zhì)比是指原子核的電荷量和原子質(zhì)量的比值?！爱?dāng)被加速粒子的荷質(zhì)比為1時(shí)，也就是電荷量與質(zhì)量相同時(shí)，加速相對容易；荷質(zhì)比越小，加速越困難。鉛原子核的荷質(zhì)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(fā)布的新聞公報(bào)說，這項(xiàng)試驗(yàn)是為了檢驗(yàn)“伽馬射線工廠”設(shè)想的可行性，將來有可能用大型強(qiáng)子對撞機(jī)產(chǎn)生高強(qiáng)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(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。上世紀(jì)70年代以來，美國、英國、法國、日本和俄羅斯都采用激光光子撞擊環(huán)形運(yùn)動(dòng)電子的手段來產(chǎn)生伽馬射線，這種射線的最高能量可以達(dá)到幾個(gè)GeV（十億電子伏特）。

“當(dāng)前大型強(qiáng)子對撞機(jī)上的這項(xiàng)試驗(yàn)就是利用現(xiàn)有的加速器設(shè)備，將保留一個(gè)電子的原子核作為載體，先對其進(jìn)行加速，然后用激光光子轟擊高速轉(zhuǎn)動(dòng)的‘原子’，使其躍遷到激發(fā)態(tài)。電子從高激發(fā)態(tài)向低激發(fā)態(tài)躍遷的時(shí)候，會釋放出一個(gè)光子，這就是伽馬射線。但是由于‘原子’已經(jīng)被加速到TeV（萬億電子伏特）能級以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)，釋放出的光子的能量和強(qiáng)度都會大幅提高，相對傳統(tǒng)的激光光子撞擊環(huán)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(qiáng)度將是傳統(tǒng)伽馬射線源強(qiáng)度的千萬倍以上。”周代翠說。

周代翠表示，與傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的伽馬射線相比，這次試驗(yàn)產(chǎn)生的伽馬射線在能量、強(qiáng)度、用途等方面都大不一樣。這種伽馬射線既可以直接應(yīng)用，又具有足夠的能量來產(chǎn)生通常的“物質(zhì)”粒子，例如夸克、電子等。這些高能伽馬射線會變成大質(zhì)量的粒子，甚至可以變成新的物質(zhì)，如暗物質(zhì)。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(fù)電子、極化的muon子、中微子、中子、矢量介子、放射性離子等。它在基礎(chǔ)物理前沿研究、現(xiàn)代技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，甚至有科學(xué)家稱它“可能在未知的基礎(chǔ)物理和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域開辟新的研究機(jī)會”。

來源：中國科技網(wǎng)