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粒子物理学无处不在,甚至在你的手掌中

2019-11-22 16:22 主页 来源:未知
粒子物理学无处不在,甚至在你的手掌中

粒子物理学无处不在,甚至在你的手掌中

 

宇宙射线亦称为宇宙线,是来自外太空的带电高能次原子粒子。快速移动的带电粒子也会由于切伦科夫辐射而发光,因为它们的移动速度比地球大气中的光速快,并产生可以在地球上检测到的二次粒子。

当你伸出手掌指向天空时,是什么在与你的手互动?你可能会正确地猜测,有离子、电子和分子都与你的手发生碰撞,因为地球上的大气层是不可避免的。你可能还记得光子,或者光的粒子,也一定在撞击你。

但是,如果没有相对论,还有一些更能击中你的手的东西是不可能存在的。每一秒钟,大约有一个μ子——电子的不稳定、加重的表亲——通过你伸出的手掌。这些介子是在上层大气中由宇宙射线产生的。平均寿命为2.2微秒,你可能会认为他不可能走完100公里以上。然而相对论就是这样,你的手掌就能证明这一点。

粒子物理学无处不在,甚至在你的手掌中

 

虽然宇宙射线阵雨是常见的高能粒子,但它主要是μ子,使得它下降到地球表面,在那里他们可以通过正确的设置检测到。

个别的亚原子粒子对人眼几乎总是不可见的,因为我们所能看到的光的波长不受穿过我们身体的粒子的影响。但是,如果你创造一种由100%酒精制成的纯蒸汽,一个带电粒子穿过它,会留下一条痕迹,即使是像人眼这样原始的仪器也能从视觉上检测到。

当一个带电粒子穿过酒精蒸汽时,它会电离一条酒精粒子的路径,这条路径是酒精液滴凝结的中心。结果得到的轨迹足够长,使得人类眼睛可以看到,而且轨迹的速度和曲率(如果你施加磁场)甚至可以告诉你它是什么类型的粒子。

该原理首先以云室的形式应用于粒子物理学中。

粒子物理学无处不在,甚至在你的手掌中

 

一个完整的云室可以在一天内用现成的材料建造,价格不到100美元。如果你知道你在做什么,你可以用它来证明爱因斯坦相对论的有效性!

今天,任何人只要有一天的劳力和不足100美元的零件,就可以建造一个云室。(我在这里发布了一个指南。)如果你把烟雾探测器的覆盖物放在云室里,你会看到粒子从云室四面八方散发出来,在云室里留下痕迹。

这是因为烟雾探测器的外壳中含有放射性元素,比如通过释放α-粒子而衰变的镅。在物理学中,α粒子由两个质子和两个中子组成:它们和氦原子核一样。由于衰变能量低,α粒子质量高,这些粒子形成缓慢的弯曲轨迹,甚至偶尔可以看到它们从云室底部反弹出来。这是一个很容易的测试,看看你的云室是否正常工作。

为了获得额外的放射性轨迹,把烟雾探测器的外罩添加到你的云室底部,然后观察从云室向外释放的缓慢移动的粒子。有些甚至会从底部反弹!

但是,如果你建造一个像这样的云室,那些α粒子轨道并不是你能看到的唯一东西。事实上,即使你完全疏散了房间(即你没有在内部或附近放置任何类型的光源),你仍然会看到轨道:它们大部分都是垂直的,看起来非常直。

这是因为宇宙射线:高能粒子撞击地球大气顶部,产生层叠粒子阵雨。大多数宇宙射线由质子组成,但以各种速度和能量移动。较高能量的粒子将与高层大气中的粒子碰撞,产生像质子,电子和光子这样的粒子,但也会产生不稳定的短暂粒子,如π介子。这些粒子阵雨是固定目标粒子物理实验的标志,它们也是从宇宙射线中自然产生的。

粒子物理学无处不在,甚至在你的手掌中

 

虽然在云室中可以探测到四种主要类型的粒子,但长而直的轨道是宇宙射线μ子,可以用来证明狭义相对论是正确的。

关于介子的问题是它们有三种:正电荷、中性和负电荷。当你做一个中性介子时,它只会在很短的时间尺度(约10-16秒)上衰变为两个光子。但是带电的介子寿命更长(大约10-8秒),当它们衰变时,它们主要衰变为μ子,μ子是点粒子,如电子,但质量是206倍。

μ介子也是不稳定的,但据我们所知,它们是寿命最长的不稳定基本粒子。由于它们的质量相对较小,它们的平均寿命惊人地长了2.2微秒。如果你问一个μ介子一旦被制造出来能走多远,你可能会想用它的寿命(2.2微秒)乘以光速(300000公里/秒),得到660米的答案。但这导致了一个难题。