大型强子对撞机撞出“新火花”

最近，大型强子对撞机再次着火，欧洲粒子物理研究所的研究人员用它来加速单个电子的“铅原子”。这是第一次使用大型设备来加速这种“铅原子”。

作为世界上最大的粒子加速器，大型强子对撞机自2009年启动以来一直在加速质子并完全剥离铅核。

电子又小又难

因为粒子加速器的工作原理是带电粒子在电场中被力加速，从而增加能量，所以没有带电的中性粒子不能被加速。要加速一个粒子，它必须变成一个带电粒子，这样它才能与加速电场中的力相互作用。

众所周知，原子由原子核和围绕原子核运动的电子组成，原子核由质子和中子组成。其中，每个质子带一个单位的正电荷，而中子不带电。每个电子都有一个单位的负电荷。一个完整原子的正电荷和负电荷数量相等，并且处于平衡状态。只要一个电子被剥离，这个“原子”就会失去平衡，变成带正电的离子。

在这个实验中，研究人员首先将铅原子的82个电子剥离到电子环共振装置中的一个，使铅原子变成带正电的离子，然后加速它。

此前，大型强子对撞机从未用电子加速原子核。据欧洲粒子物理研究所超高能重离子碰撞实验大型国际合作组中方项目协调人、华中师范大学教授周介绍，用一个电子加速“铅原子”相当困难。“当在加速器环中移动时，如果环中的真空度不高，一方面就有可能把这个电子打掉，从而改变被加速的‘原子’的电荷状态，导致实验失败；另一方面，加速的‘原子’也可能与其他原子碰撞，从而对环形管壁造成强烈破坏，这将是一个大事故。”周对说:

与此同时，大型强子对撞机工程师米歇尔拉·肖曼也持类似观点。他说用电子加速原子核是非常具有挑战性的，因为很容易意外剥离电子。当这种情况发生时，原子核将撞击离子束所在的管壁。

此外，周还指出，除了加速环极高的真空要求外，加速“原子”的荷质比也与加速的难易程度直接相关。所谓的荷质比是指核荷量与原子质量的比率。“当加速粒子的荷质比是1时，即当电荷量与质量相同时，加速相对容易；荷质比越小，加速就越困难。铅核的荷质比大约是0.39，这使得加速非常困难。”周代崔说。

旧方法的新能级

根据欧洲核子研究中心发布的一份新闻稿，这次测试是为了测试“伽马射线工厂”的想法的可行性，以及将来使用大型强子对撞机产生高强度伽马射线的可能性。

所谓伽马射线是一种波长极短的高能电磁波，在基础科学和应用科学中有着广泛的应用。自20世纪70年代以来，美国、英国、法国、日本和俄罗斯都使用激光光子撞击环形移动电子来产生伽马射线，伽马射线的最高能量可以达到几千兆电子伏(10亿电子伏)。

“目前在大型强子对撞机上进行的实验是利用现有的加速器设备来加速以电子为载体的原子核，然后用激光光子轰击高速旋转的‘原子’，使其转变为激发态。当一个电子从高激发态转换到低激发态时，它会释放出一个光子，这就是伽马射线。然而，由于“原子”已经被加速到TeV(太电子伏特)能级，并以接近光速的速度运动，发射光子的能量和强度将大大提高。与激光光子撞击环形加速电子的传统伽马射线源方法相比，这一新概念下的伽马射线强度将是传统伽马射线源的一千万倍以上。”周代崔说。

周说，与传统方法产生的伽马射线相比，这次试验产生的伽马射线在能量、强度和用途上有很大的不同。这种伽马射线可以直接使用，并有足够的能量产生普通的“物质”粒子，如夸克、电子等。这些高能伽马射线将成为大质量粒子，甚至是新的物质，如暗物质。它们也可以是新粒子束的来源，例如μ子束、甚至极化正电子、极化μ子、中微子、中子、矢量介子、放射性离子等。它在基础物理、现代技术和应用领域的前沿研究中有着广阔的应用前景，甚至有些科学家说它“可能在未知的基础物理和工业应用领域开辟新的研究机会”。