【极小篇｜第五章（下）粒子物理（轻子）】03 粒子物理的实验方法：对撞机

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严老师讲义 

5.6.1 夸克是怎么被验证的？

夸克模型刚被提出的时候，最大的问题就是无法做实验去验证。从之前的推论可以看出，夸克模型的提出，完全是为了应对重子数过多的问题而硬生生凑出来的。在凑的过程中，我们不得不人为的加上很多在测量中无法直接获得的性质，比如：奇异数、以及味。

夸克无法被直接探测，是因为独立存在的粒子必须是“白色”的。夸克具有色荷，单个夸克不是白色的，它们无法直接在实验室中获得。

但可以通过间接的方法来探测夸克。这就要回到最早如何发现原子核存在时用的方法了。当时卢瑟福用氦核去轰击金箔，然后研究氦核的散射情况。他发现只有一小部分氦核是反弹的，大部分穿过了，且有一些偏折的角度。因此他推测：原子不是葡萄干蛋糕结构，而是绝大部分质量集中在核心，原子核非常小。

即便无法直接捕捉到夸克，也可以用类似的方法来证明夸克的存在。如果我们能证明质子或中子中，确实有三个结构存在，那么也能推论出夸克的正确性。

夸克是这样被证明的：用能量极高的电子去轰击质子，结果发现电子的偏转方向有三个，这就证明质子当中确实有三个质量集中的团块。如果确认了团块的数量是三，并且在质子和中子之内，比质子和中子更基本。那么其他的电性质、自旋性质大多是必然的导出了。

5.6.2 对撞机的基本原理

这就引出了做粒子物理实验的基本方法，一个字——撞。原子核的结构非常稳定，要发生核聚变需要足够高的温度，本质上就是要让原子核的动能极大。只有如此高的能量才能打破原子核原本稳定的结构，迫使它们形成新的原子核。

粒子物理做实验的基本方法，就是把这些微观粒子加速到非常快。快到什么程度？极度接近光速，比如99.9%的光速，再让粒子之间发生激烈的碰撞。由于越接近光速，粒子能量越高，就越有机会撞出东西。对撞机的作用是把粒子加速到能量极高的状态，所以粒子物理也叫高能物理。

带电粒子和中性粒子的加速原理是完全不一样的。带电粒子的加速比较简单，因为它带电，可以通过电场让它不断加速。但是粒子加速以后的速度非常快，接近光速后能在很短时间内运动很长的距离。为了观察这些高速粒子，我们不能让它们加速完就飞走了，要让它们在一个有限范围内活动。因此对撞机都是环形的，通过电场让带电粒子加速，并且让这些粒子在环形的管道中运动。

如何让这些粒子转圈呢？答案是磁场。带电粒子在磁场里会受到洛伦兹力的作用，从而做圆周运动。随着粒子运动的速度越来越快，粒子旋转的离心力就越大，这时需要更强的磁场来约束它们。对撞机工作的时候，需要十分强大的电流来提供强磁场。但是普通导线无法支撑过大的电流，所以现代先进的加速器用的都是超导线圈。用液氦把线圈的温度降到零下 270 度左右，变成超导线圈。超导线圈没有电阻，不会发热，因此可以承载十分强大的电流。

但是强电流也是有限的，为了让粒子尽可能的被加速，达到更高的能量等级，对撞机的环行轨道半径必须大，半径大离心力就会减小，磁约束的难度就没那么大。现代最先进的对撞机是瑞士日内瓦的LHC（Large Hadron Collider）大型强子对撞机。它的周长差不多是30公里。

LHC的内部管道

LHC（Large Hadron Collider）大型强子对撞机

然而中性粒子就不好加速了。所以通常情况下，我们不加速中性粒子，而是让它们作为带电粒子的靶子。如果实在要加速，可以通过激光与它们作用，让激光传递能量给它们。

5.6.3 哪些性质可以用对撞机测量？

我们应该如何测量被撞开的粒子的性质呢？首先，电性质是好测量的。粒子在电场和磁场中会偏转，通过电场和磁场可以了解粒子的荷质比，也就是电荷量比上质量。除此之外，还有一个非常重要的指标——横截面（cross section）。

可以想象两个经典小球的碰撞。假设一个桌球撞击另外一个桌球，撞完后两个球的运动方向都会发生改变。具体改变多少跟什么有关呢？跟两个球具体的碰撞角度以及速度有关，也跟他们的质量有关。

在对撞机中探测碰撞后粒子运动偏转的角度，可以帮助我们知道很多和粒子相关的信息，比如质量。因为我们可以调节碰撞时粒子间的相对速度，通过分析不同碰撞情况下的横截面，也就是偏转角形成的锥形的面积，便能得到很多关于粒子的信息。

粒子物理实验横截面分析 

但是现在，粒子物理的研究遇到了很大的阻碍。随着粒子越来越小，要让它们碰撞后还能产生一些效果，需要的能量就越来越高，这意味着对撞机必须越造越大。LHC 的周长长达三十公里，是世界上最大的对撞机。这个对撞机造了20多年，花费在 200 亿欧元以上。

即便如此，它的实验结果也并非完全令人满意。每提升一个对撞能量层次，我们就要花很长的时间以及大笔金钱，投入巨大的人力物力于其中。即便如此，得到的结果还未必令人满意。就是因为这样的现实摆在面前，才导致20世纪80年代以后，粒子物理的研究举步维艰，因为需要的投入太大了。但是如果没有实验数据，理论要进步是很困难的。

我们必须时刻牢记，物理学做研究的方法是：先归纳，后演绎，再验证。实验进步困难，会导致归纳和验证都很困难，因为理论不能是空中楼阁。可以说，粒子物理的黄金年代已经过去了。

至此，我们对于基本粒子的探索已经来到了一个比较究竟的层次了。我们知道，不管重子、介子，它们本质都是由六种夸克以及它们的反夸克组成的。夸克是非常基本的粒子，它们甚至无法独立存在。除此之外还有六种轻子以及它们的反粒子。除了六种粒子以外，还有四种基本作用力，我们已经提到了强力、弱力、电磁力，再结合我们第二篇【极大篇】就讨论过的引力，总共四种。

粒子和力的关系是什么，有没有更好的办法，把这些粒子统合在一个框架里？毕竟六这个数字离我们追求的终极，也就是德谟克利特说的万物唯一的组成单元，还有很长一段距离。这就是下一章，量子场论要研究的领域。你会发现，所谓粒子不过是量子场这盆肥皂水上的肥皂泡而已。