大型设备首次用于加速这类“铅原子”

陈笑

作为世界上最大的粒子加速器，2009年启动运行以来，大型强子对撞机的日常工作是加速质子和完全剥离的铅原子核。

电子很小 难度很大

由于粒子加速器的工作原理是带电粒子在电场中受力而得到加速，进而提高能量，因此不带电的中性粒子不可能被加速。要想加速粒子，就必须将其变成带电粒子，这样它才能与加速器电场中的力相互作用而被加速。

众所周知，原子由原子核和围绕原子核运动的电子组成，原子核又是由质子和中子组成。其中，每一个质子带一个单位的正电荷，中子不显电性，每一个电子带一个单位的负电荷，完整原子的正负电荷数相等，处于一个平衡状态，只要剥离一个电子，这个“原子”就会失去平衡变成带正电荷的离子。

在本次实验中，研究人员先在电子环形共振装置内将铅原子的82个电子剥离到只剩一个，使铅原子变成带正电荷的离子，然后再对其进行加速。

此前，大型强子对撞机从未加速过带电子的原子核。在欧洲核子研究中心超高能重离子对撞实验大型国际合作组中方课题协调人、华中师范大学教授周代翠看来，加速带有一个电子的“铅原子”难度相当大。“在加速器环内运动的时候，如果环内的真空度不高，一方面有可能把这一个电子撞掉，从而改变被加速‘原子’的电荷状态，导致实验失败；另一方面正在被加速的‘原子’ 也可能与其他原子发生碰撞，这样就会对环形管壁造成强烈的破坏，那将是很大的事故。”周代翠说道。

与此同时，大型强子对撞机工程师米凯拉·绍曼也持有类似的看法。他表示，加速带有电子的原子核很有挑战性，因为很容易将电子意外剥离，当这种情况发生时，原子核就会撞到离子束所在的管壁。

此外，周代翠还指出，除了加速环真空度要求极高以外，被加速“原子”的荷质比也直接关系到其加速的难度。所谓荷质比是指原子核的电荷量和原子质量的比值。“当被加速粒子的荷质比为1时，也就是电荷量与质量相同时，加速相对容易；荷质比越小，加速越困难。铅原子核的荷质比大约为0.39，它的加速难度就非常大。”周代翠说。

旧方法 新能级

欧洲核子研究中心发布的新闻公报说，这项试验是为了检验“伽马射线工厂”设想的可行性，将来有可能用大型强子对撞机产生高强度伽马射线。

所谓伽马射线是一种波长极短的高能电磁波，它在基础科学与应用科学领域都有广泛的应用。上世纪70年代以来，美国、英国、法国、曰本和俄罗斯都采用激光光子撞击环形运动电子的手段来产生伽马射线，这种射线的最高能量可以达到几个GeV（十亿电子伏特）。

“当前大型强子对撞机上的这项试验就是利用现有的加速器设备，将保留一个电子的原子核作为载体，先对其进行加速，然后用激光光子轰击高速转动的‘原子’，使其跃迁到激发态。电子从高激发态向低激发态跃迁的时候，会释放出一个光子，这就是伽马射线。但是由于‘原子’已经被加速到TeV（万亿电子伏特）能级以接近光速的速度运动，释放出的光子的能量和强度都会大幅提高，相对传统的激光光子撞击环形加速的电子的伽马射线源方法，这一新概念下的伽马射线强度将是传统伽马射线源强度的千万倍以上。”周代翠说。

周代翠表示，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、用途等方面都大不一样。这种伽马射线既可以直接应用，又具有足够的能量来产生通常的“物质”粒子，例如夸克、电子等。这些高能伽马射线会变成大质量的粒子，甚至可以变成新的物质，如暗物质。它们也可以是新型粒子束的来源，例如μ子束，甚至极化的正负电子、极化的muon子、中微子、中子、矢量介子、放射性离子等。它在基础物理前沿研究、现代技术和应用领域都有广泛的应用前景，甚至有科学家称它“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”。

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