没了粒子加速器就活不下去的12个理由,美利坚同

2019-11-30 14:34栏目:奥门新萄京娱乐场
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寻找最熟悉的“陌生人”
美国科学家加速探测各种粒子

(本文由 Nautilus 授权转载,撰文/Lina Zeldovich,插图/James Walton,编译/莘莘深)物理学家用粒子加速器来回答基础物理学的问题——我们的宇宙是怎么来的,为什么物体具有质量,等等等等。很多粒子加速器个头巨大——在芝加哥附近费米实验室的万亿电子伏加速器(Tevatron)周长有六公里,而日内瓦的大型强子对撞机(Large Hadron Collider ,LHC)还要再大四倍——而且,它们都非常昂贵。在某些方面,它们是纯研究用仪器的典范。但是,如果你觉得这些机器在研究之外一无是处的话,你会大吃一惊的。

在美国托马斯·杰斐逊国家加速器实验室(以下简称杰斐逊实验室)A厅,这里有一个科学迷想从一间物理实验室中得到的一切。这个圆柱形的洞窟从地面到穹顶有24米高,宽达48米,中间发出的声响仿佛是在一座大教堂里回荡。

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从高墙上看,一根银色的管子像手指一样延伸到大厅中心,并延展出两台巨大的机器,其是由钢材、管子、电线和电子设备构成的多层集合体。你可以将它看成一台巨大电子显微镜的一部分,旨在寻找两种最熟悉但又很神秘的宇宙成分:质子和中子。管子输送的是出自一台加速器的高能电子束,而后者会撞入安装在房间中心的靶上。

粒子加速器早在几十年前就逐渐走出实验室、渗入到了工业界,而且科学家们还在不停设想新的应用。当用于基础研究的联邦资金减少的时候,科学家就会想新办法来筹钱。罗伯特•柯法特(Robert Kephart)是伊利诺伊加速器中心费米实验室的主任,伊利诺伊州商业和经济机会部(DCEO)联手资助科学研究,并发展粒子加速器的应用。他和他的同事讲解了你大概可能没听说过的10个粒子加速器的应用:

大厅两台重达1400吨的质谱仪捕获撞击射出的亚原子粒子,并追踪它们的路径和能量。在20年的时间里,杰斐逊实验室的物理学家一直在撞击原子核,但未能完全破解其中的秘密。不过,从今年开始,他们会“训练”一台更加强大的显微镜追踪其“猎物”。

1. 牛奶盒子的封口,加速器干的。

加速器用电磁力加速带电粒子,所得的粒子束可以沿设定的方向运动——就算它们离开了加速器也一样。当带电粒子经过一个原子,它可以同这个原子中电子相互作用,把它们从原先的轨道中踢走,同时破坏掉化学键。这样,某些化合物会分解掉,有些则会发生聚合。后者是粒子加速器被应用到工业界最早的例子,这项应用至少可以追溯到20世纪80年代:给薯片袋子和牛奶盒子封口。薯片袋子由两层用胶水粘在一起的铝箔制成。这种胶水在工业传送带上需要很长时间才能干。“永远都会是黏糊糊的。”柯法特说——但是电子束可以让这一切瞬间发生,“用加速器你可以瞬间让胶水聚合。”

对粒子加速器进行升级

2. 大量天然气被浪费,加速器来搞定。

比起石油,天然气更加难以驾驭,并且需要管道传输。所以每年都有数百万立方英尺的天然气被燃掉或被排掉而没有被传送到市场——造成了污染和浪费。

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根据西部价值项目(Western Values Project)估计,2013年美国浪费的天然气足够支持洛杉矶或者芝加哥全年用度。化学反应可以将天然气转化成液态烃或者石油,但是这个过程要求很高的温度和压力,只有大工厂才能实现。加速器可以通过用电子束打破碳氢键来实现同样的目标,从而使得天然气和重新结合成链状聚合物。这个过程据柯法特所说理论上可以奏效,但是还停留在未来技术的阶段——还没有建成的原型。

带正电荷的质子和不带电的中子均包含3个被称为上夸克和下夸克的粒子。两个上夸克和一个下夸克构成一个质子,而两个下夸克和一个上夸克构成一个中子。不过,之前的实验表明,这些价夸克只是整个故事的一小部分。核子——可能是质子或中子,实际上由大量的夸克、反夸克和胶子组成。其中,胶子能传递强核力,将夸克结合在一起。质子或中子是如此的散乱,以至于物理学家无法准确地弄清诸如其质量和自旋等一些最基本的属性是如何从这种混乱中出现的。

 

杰斐逊实验室的物理学家正在完成对其粒子加速器——连续电子束加速器装置的升级,旨在使它的能量翻倍并以前所未有的精度探测质子和中子的内部结构。同粒子物理研究的“圣地”如位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室——CERN相比,杰斐逊实验室要相对逊色一些。但它即将成为这类核物理学研究全球瞩目的焦点。“这将是一个非常令人激动的项目。”来自法国原子能委员会的物理学家Fabienne Kunne表示,它应该会取得巨大的进步。

3. 担心菠菜有大肠杆菌?加速器来消灭它们。

奥门新萄京娱乐场 4如果你看见包装袋上有左边这个叫做“Radura”的标志,那么你的食物已经接受过电子束的辐照灭菌。超过40个国家利用这项技术杀死苹果、草莓、菠菜等产品中的沙门氏菌或大肠杆菌等生物。弗拉基米尔•施尔特瑟夫(Vladimir Shiltsev)是费米实验室加速器物理中心主任,他解释说这种电子束经校正后可以摧毁病原体,但是不会影响产品本身。

 

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分子越复杂,越容易被电子束打碎——细菌的DNA要比植物的DNA更复杂,所以它们会先被分解掉。不像意外核事故产生的放射性同位素,这种电子束完全在人们掌控之中,并且,也不像质子或者中子,它们不会破坏原子核。“我们现在说的这种射线来自于加速器,所以当你关掉开关,所有放射都停止了。”柯法特说道。同样地,电子束被用在辐照灭菌器(rhodotron)中,为医用器具消毒。

不像粒子物理学家对著名的希格斯玻色子的探寻,杰斐逊实验室承担的任务并不需要一项宏大的实验,而是由一系列测量工作组成。这种多样性表现在实验室的4个厅上:包括A厅在内的两个厅拥有两台能被重新改造用于研究特定相互作用的光谱仪,而另外两个厅包含旨在捕获每种相互作用的探测器。

4. 煤炭可以成为清洁能源吗?可以,如果你把加速器安在烟囱里。

奥门新萄京娱乐场 6燃烧煤炭会产生诸如氮氧化物和硫氧化物的烟道气体:NO2(二氧化氮), NO3奥门新萄京娱乐场 ,(三氧化氮), SO2(二氧化硫),和 SO3(三氧化硫)等等。这些气体会同大气中的水反应,从而变成硫酸或硝酸,最终以有毒酸雨的形式浇在地球上。但是如果这些氧化物与氨气(NH3)混合后并接受电子束的放射,它们可以转化成硫酸铵和硝酸铵,也就是普通的肥料。这个过程产生的粉尘状颗粒可以用静电式分离器或者离心式分离器收集,然后施到田里面。

柯法特认为这个想法让煤炭有机会成为清洁能源。“即便是在对再生能源和核能最乐观的估计下,煤炭在未来的20年内至少还要提供我们所需能量的20%。”柯法特说,“这个方法能让燃煤更符合环保要求。”PAVAC是由拉尔夫•艾丁格(Ralf Edinger)成立的一家公司,该公司位于加拿大英属哥伦比亚,致力于率先建成这项技术。

核子内部的混乱来自强作用力的奇特性质。乍一看,这种力和电磁力有点像,将原子中的电子和核子“绑”在一起并产生光。没有原子,带负电荷的电子会通过交换没有质量的量子粒子——光子来依附于带正电荷的核子。同样的方式,核子里的夸克通过交换没有质量但能传递强作用力的胶子相互“黏”在一起。

5. 抗生素危害鱼类?加速器变药成肥。

加速器可以用来清理污泥,它可以清除引发藻类大量繁殖的氮和磷,以及那些对鱼类有害的激素和抗生素。用电子束照射污泥可以分解里面的药物,把它们变成无害的化合物。电子射线还可以将水离子化,产生H3O 和OH的自由基,创造非常利于氧化还原反应发生的环境。这种方法同样可以把复杂的药物化合物分解成基本元素,同时杀死病原体。“你可以放心地把经过辐照的污泥用在生菜地里面。”柯法特说道。

90年代初,佛罗里达的迈阿密建造了一座用加速器清理城市垃圾的试验性工厂。尽管这座工厂可以运作,这项技术还不能解决所有问题,柯法特说,所以这个想法还没有被商业化。“购买处理城市垃圾的垃圾场需要完整(配套)的系统。”他解释道,但“现在得到工业界的资助还为时过早。”

不过,强作用力要比电磁力复杂得多。不像被动的光子,胶子本身能相互交换。更重要的是,一个核子内并不只是有3个价夸克。未知的正反夸克对也时有时无地存在着,而它们不需要成为上夸克和下夸克,但同样能成为较重的奇异夸克和魅夸克。因此,每个价夸克都被大量的夸克和胶子笼罩,“你能看到什么取决于探测规模”。杰斐逊实验室首席理论学家Michael Pennington表示。

6. 新电脑入手。多亏加速器。

分解分子和摧毁病原体的DNA并不是加速器的唯一绝招——它们可还可以用来构造新的材料。计算机芯片生产依赖一项称为“掺杂”的技术,其中硼和磷离子是用加速器注入到硅层中的。这些离子带正电,所以加速器可以利用电磁场控制这些离子束的方向。然后这些离子穿透硅晶片的表面并被放置在内部的精确位置。这会改变材料的导电性。

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