質子是電子質量1836倍,為啥對撞機最後選用質子而不是電子?

歆琳科普


在地球上,我們平時所能看到的一切物質都是由質子、中子、電子組成,還有大量的光子,當然自然界中還包括一些我們無法感知的東西,有正反中微子,大質量暗物質粒子,以及只會在短時間內存在的高能粒子。

在這些粒子中,中微子是質量最輕的粒子,但他不帶電荷,而電子是第二輕的粒子,帶一個負電荷,質量為5.11×10^3(eV/c^2),而質子帶正電荷,質量為9.38×10^8(eV/c^2),其質量約為電子的1836.5倍。其中電子是費米實驗室大型正負電子對撞機(LEP)中所使用的加速粒子,而質子是目前人類所擁有最能量的歐洲核子研究中心大型強子對撞機所使用的加速粒子。

它們的工作原理是一樣的,都是利用就是為帶電粒子提供一個加速的電場,使帶電粒子獲得速度,然後在帶電粒子經過的範圍提供一個根據其速度可變的磁場,使帶電粒子的加速路徑彎曲成一穩定的圓環。因此只要電場、磁場足夠強,帶電粒子就能獲得足夠的速度。

一般環形加速器優於直線性加速器,因為帶電粒子可以一次又一次地使用相同的“軌跡”來獲得越來越高的能量,從而使粒子加速到與光速相差不到1公里每秒的速度。這裡有個問題就是,為什麼粒子加速器升級以後,也就是大型強子對撞機使用的是質子,而不是電子?在我們的認識裡,電子質量更輕,應該更容易獲得加速,達到更高得速度。

而且質子還有一個明顯的缺點,質子不是基本粒子,它是由三個夸克和膠子組成的。當LHC碰撞兩個質子時,碰撞能量不僅會在每個質子的三個夸克之間分散,而且還會在內部的所有膠子之間分散。這樣不僅會讓碰撞的能量不夠集中,而且還會產生大量的“垃圾”也就是所謂的碰撞碎片,因此會讓碰撞點一場的“混亂”,我們想要探測產生的新粒子就是十分困難。

但是,對於大型正負電子對撞機來說,電子確實質量小容易加速,也是基本粒子,碰撞後在相撞點的能量比較集中,也沒有過多的“碎片”,直覺上應該比質子好。但在物理上電子卻無法達到與質子相同的能量。這是為什麼呢?

實際上,在大型強子對撞機之前,LEP或大型電子正電子對撞機使用的環形跑道周長也是27公里。但是,後來的大型強子對撞機的能量可以達到13 TeV或13,000,000,000,000電子伏特,LEP卻只能達到114 GeV的能量或114,000,000,000電子伏特。為什麼會有這麼大的差異呢?這不是因為環的大小(相同),也不是因為磁體的強度(可能相同但不會有太大的不同),也不是因為質子電子質量的問題,而是因為當帶電粒子在彎曲的磁場中加速時會發出電磁輻射。

這種現象被稱為同步加速器輻射,而這種輻射的能量損失與帶電粒子質量的四次方成反比,這意味著當電子的質量比質子小1836倍時,它會以10 ^ 13倍的速度失去能量!而質子損失的能量就相對來說比較慢,在相同情況下,質子就可能達到更高的能量或更高的速度。

因此在LEP之後的LHC我們就使用了質子作為加速粒子。但通過上文我們也知道質子也有它的缺點。我們有沒有一種介於質子和電子之間的提到粒子呢?

就是μ子,它和電子是近親,屬性基本相同,什麼自旋、電荷、磁矩都是一樣的,但其質量是電子的206倍,這就彌補了電子質量的不足。而且μ子與質子相比,其是基本粒子可以有效的解決碰撞後能量比較分散的現象。

但μ子也有自身的缺點,因為μ子屬於不穩定粒子,會在平均2.2微秒衰變為電子和兩個中微子。所以我們一開始就必須讓μ子有一個很快的初始速度被射入環形加速器的加速圓環中。利用相對論的時間膨脹效應減慢它的衰變時間。我們應該能夠將它們加速到99.999%以上以光速使其相撞,並發現關於宇宙的更大秘密。這也是以後大型粒子加速器發展的方向。


量子科學論


你這問題實質包涵許多現代前沿未能解決的理論問題,根本不是單一的質量問題,為什麼呢?

第一是質量問題,物質為什麼會顯現質量,質量概念在自然界中物質的存在與演化機制根本無理論闡述。

第二是電子加速原理與質子加速原理概念混亂,到底是質引加速或者是電磁加速,其中對電孑電荷質子電荷,質能轉換,速增質量等主流理論,無能闡述加速器設計運行的統一工作原理機制,純碎是亂皮才的科研形為。

第三對加速後的電子速度或質子速度根本無能測速,也未測速,到底加速後電子的實際速度有多大,質子的速度有多大根本就是估計。

第四用能量加速後的加速粒子,在加速器中為何會產生自發輻射。

第五加速粒子碰撞後為何會產生更大粒子質量的上帝粒子,此粒子不穩定的原因又是為什麼?

第六加速器中工作的所謂電子質子到底是純靜的電子質子或者是等粒子團。

上面這些疑問如果無能作出合理解釋,再建這樣的對碰機又有什麼科研價值?歐碰機的科研價值對人類認識自然而言已經發揮了它的使用價值,這個價值就是不能以這種方式去繼續亂整,無任何科研突破。

現代主流理論要想有所突破應該在歐碰機的工作過程中總結各種現象,結合自然界的天體及其各種物質的演化過程現象,高度濃縮為一個存在原理,才能正確指導探索實驗,否則都是幹無用功,浪費時間與錢財。如果中國不以歐碰機為蘭本作出理性判斷,失敗是絕對的沒商量,不服氣就用事實回答。(本文原創,個人研究結論共參考)


宇宙譜


這麼有意思的題目啊!你真行,說說你腦子裡都是高科技哈!可是這些高科技的玩意兒已經在幾十年前都被有定論了!要麼,您有質疑的地方。

這屬於高能物理了。具體說來高能粒子對撞機為什麼用質子,而不用電子的問題!電子是核外物質存在,任何物質被場效應趨勢,都會體現於電子屬性的就是。電子的屬性體現於任何的物質存在中。稍有場效應,電子就會參與。具體說來用什麼物質的粒子作為加速器子彈,用什麼物質當作靶子。這些都有立論了!

就眼下的人類能力,取得一個質子能力還做不到。控制一個電子的能力也做不到。能做到的是,一定量內的粒子團的集體存在!說那是質子,說那是電子。


聖劍17


對撞機撞不出最小粒子,最多也就是個閃粒子,所以歐洲對撞機停止運行樂,,,物質最小結構應是能量態,這才符合物質是由能量構成的。宇宙起源於能量,,,奇點來自暗能量,暗能量來自宇宙極寒溫度,宇宙大爆炸後留下一個宇宙坑,這個坑就是黑洞,,,


美術家1


講元素表的時候,老師一遍遍重複,電子軌道是方便記憶,電子是以電子雲的形式存在,它是存在的,也可以說是不存在的,單個研究它的話就是出現和消失,沒有軌跡可循


無盡的存在7547208


你能把雞毛扔到房頂去嗎?扔石頭卻可以。沒有重量無法加速,重力加速度才能使上勁。


純行就是我


因為質子是電子質量1836倍,所以對撞機選質子,而不是電子[淚奔][淚奔][淚奔][淚奔]


廣濟愛分享


我很外行,存認推測,

微物質構;初核質心;

外護電子;不研實際;

去獲真知,場更難求。


李志勇LZY


電子瘦,撞不出什麼東西,也不好撞。質子胖,肚裡有貨。就撞它了!


5364647472454


電子用不著你加速,拿手電筒打一下,就是光速


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