科学简化:什么是粒子加速器?

粒子加速器将带电粒子加速到高速以研究它们的碰撞，为量子物理学提供了宝贵的见解。这些装置，无论是线性的还是圆形的，使科学家们能够理解粒子的相互作用。能源部科学办公室支持全国各地的各种粒子加速器，为粒子加速和辐射产生研究的进步做出贡献。

粒子加速器是一种快速推动质子、原子核和电子等带电粒子以研究它们之间碰撞的机器，它加深了我们对宇宙的理解，尤其是在量子物理领域。

粒子加速器是一种装置，它可以加速构成宇宙中所有物质的粒子，并将它们碰撞在一起或撞向目标。这使得科学家可以研究这些粒子和形成它们的力。

具体来说，粒子加速器加速带电粒子。这些是带正电荷或负电荷的粒子，如质子、原子核和围绕原子核运行的电子。在某些情况下，这些粒子的速度接近光速。

当粒子与目标或其他粒子碰撞时，碰撞产生的能量可以释放，产生核反应，散射粒子，并产生其他粒子，如中子。这让科学家们看到是什么将原子、原子核和核子结合在一起，以及像希格斯玻色子这样的粒子世界。

这些粒子和力是粒子物理学标准模型的主题。科学家们还深入了解了量子物理学，它在令人难以置信的小尺度上控制着世界的行为。在量子领域，我们每天使用的经典牛顿物理学不足以解释粒子的相互作用。

相对论重离子对撞机的STAR探测器跟踪了重离子(如金)碰撞时产生的数千个粒子，如图像右侧彩色粒子轨迹所示。这有助于科学家研究夸克-胶子等离子体以及物质在高能量密度下的行为。来源:布鲁克海文国家实验室

这些机器是如何加速粒子的?他们将粒子注入“光束线”。这是一个在非常低的气压下保持的管道，以保持环境中没有空气和灰尘，这些空气和灰尘可能会在粒子通过加速器时干扰它们。

注入加速器的粒子被称为“束”。一系列的电磁铁引导并聚焦粒子束。在直线加速器或LINAC(发音为line-ack或lin-ack)中，粒子直接射向固定的目标。在一个圆形加速器中，粒子绕着一个环运动，不断加速。圆形加速器可以在比直线加速器更小的空间内加速粒子，但它们的建造和操作往往更复杂。然而，由于粒子沿圆周运动，圆形加速器为粒子碰撞创造了更多的机会。

粒子在一种叫做粒子探测器的装置中相互碰撞或撞击目标。这个装置可以测量粒子的速度、质量和电荷。这些信息使科学家能够确定碰撞产生的粒子类型。

快速的事实

美国能源部科学办公室:公司对粒子加速器的贡献

能源部科学办公室主要通过其高能物理和核物理项目支持粒子加速器和使用这些设备的研究。这些项目资助了全国各地的粒子加速器。位于阿贡国家实验室的阿贡串联直线加速器系统(ATLAS)是第一个用于重离子的超导直线加速器。在布鲁克海文国家实验室，相对论重离子对撞机(RHIC)是世界上第一个重离子对撞机，能够与金离子和极化质子等粒子一起工作。布鲁克海文也是加速器测试设施的所在地，该设施提供设备帮助科学家研究粒子加速和辐射产生。

费米国家加速器实验室是美国粒子物理的核心实验室。费米拥有世界上最强大的对撞机，直到2009年被大型强子对撞机(Large Hadron collider)取代。托马斯·杰斐逊国家加速器设施的连续电子束加速器设施帮助科学家研究质子和中子的结构。密歇根州立大学的稀有同位素光束装置是一个用于研究外来核，特别是同位素的线性加速器。SLAC国家加速器实验室于1962年开始运行线性粒子加速器。今天，SLAC支持世界各地设施的先进加速器设计研究。