原子碰撞粒子加速器是如何工作的？
在人类制造的众多伟大器械中其中一样叫做‘原子撞击’。其中体积上最大的‘大型强子对撞机（LHC）’是一个周长约 18 英里的环形建筑，而这个比曼哈顿还长的原子加速器到底是什么呢？
LHC是让具有极高能量的原子核互相撞击的仪器。科学家建造能量最高的仪器可以将物质加热到有史以来的最高温度，相当于宇宙在诞生后的兆分之一秒的温度，其加速器由尖端工程技术构成。而LHC 的碰撞隧道是真空的压力，因而比国际太空站周围的气压还小，且温度在华氏零下 456 度 （约摄氏零下 271 度），比最深远的宇宙都还冷。
先前的一个置于 LHC 加速碰撞隧道中的加速器仍保持着速度的世界纪录，它能将一个电子加速到极高的速度，几乎接近于光速，光子大约需要14 分钟的时间才能领先 10 英尺。如果这还不让你惊讶，要记得光子是宇宙上最快的东西，它时速每秒大约186,000英里。那么，这些次原子的粒子加速器是如何运作的？（次原子是指比原子小的粒子）
图解：CERN大型强子对撞机平面位置图，圆形轨道位于日内瓦机场西北方
答案是利用电场。电场让带电粒子朝相同方向运动就像重力把棒球向下拉一样。这样来自电场的力将吸引粒子且使它运动。速度会继续增加直到带电粒子到了惊人的速度。将两块平行金属板和一颗电池相链接起来，就可制做一个简单的粒子加速器。电池的电荷移动到两个金属板上产生电场来吸引粒子移动，就这么简单，这就是一个粒子加速器。问题是用这种方式建造的加速器能量很小。
图解：LHC的超导电四极电磁铁，由费米实验室合作者所建造
如果用这种方式建设大型强子对撞机则需要超过五兆个标准的一号电池。因此，科学家们使用更高能的电池并将它们串联。早期的加速器就采用了这种方法，这种加速器大约有一英里长相当于300亿个电池。要建造一个相当于 5 兆个电池能量的加速器则需要150英里长的加速器。
图解：一张描述LHC如何产生希格斯玻色子的费曼图。在图中，两个夸克各放射出一个W及Z玻色子，进而融合成一个希格斯玻色子。
科学家们找到了另一种方法。电场可加速粒子，而磁场则可使它们沿圆环路径移动。如果把电场沿圆环路径安置，那么就不需要数英里长的电场，你可以循环使用同一电场。粒子会绕着圆圈运动而每次循环电子获得更高的能量。
图解：在CMS侦测器中希格斯玻色子衰变的模拟事例重建图。(event display)
所以高能加速器包含一小段的加速电场和一个长系列的磁铁。磁铁用于引导粒子沿圆环循环。磁场强度和圆环半径决定粒子束的最高能量。一旦粒子束达到极高速度，真正的乐趣就开始了——对撞。物理学家之所以想要这些粒子高速运动就是要让它们互相碰撞。这些碰撞可以帮助我们探寻物质必须遵守的基本原理，但如果没有工程学上的成就这是不可能实现的。这就是粒子加速器。
相关知识延伸阅读
大型强子对撞机（英语：Large Hadron Collider，缩写：LHC）是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织的对撞型粒子加速器，作为国际高能物理学研究之用。LHC已经建造完成，2008年9月10日开始试运转，并且成功地维持了两质子束在轨道中运行，成为世界上最大的粒子加速器设施。大型强子对撞机是一个国际合作计划，由全球85国中的多个大学与研究机构，逾8,000位物理学家合作兴建，经费一部分来自欧洲核子研究组织会员国提供的年度预算，以及参与实验的研究机构所提拨的资金。
参考资料
1.Wikipedia百科全书
2.天文学名词
3. Minji Seo- TED-Ed-森汩
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电子束可操纵单原子，“原子工程”新时代开启
石墨烯中竞争实验的磷掺杂动力学及其控制。
工程的“终极控制度”是指能在最基本的层次上，通过精确的控制方式逐个原子地制造和操控材料的能力。phys.org网站报道，《科学进展》杂志发文称，美国麻省理工学院（MIT）和奥地利维也纳大学（UV）等已经朝着这个方向迈出了重要一步。他们开发了一种方法，可以利用高度聚焦的电子束重新定位原子，并控制它们的确切位置和成键方向。研究人员认为，这一成果有望促成制造量子设备或传感器的新方法，并开启“原子工程”新时代。MIT核科学与工程、材料科学与工程研究人员、论文作者Ju Li解释说：“我们已经有了很多基于纳米技术的工具。但是在这项新研究中，这类工具被用于控制比之前更小一个数量级的过程。我们的目标是对一到上百个原子的位置、电荷态和自旋态等进行精确控制。”
此前，虽然也有其他研究人员操纵过单个原子，甚至在表面上摆放出了一个整齐的原子圈，但这个过程需要使用扫描隧道显微镜的探针尖端“拾起”单原子，然后再把它放到既定位置。这是一个相对缓慢的机械过程。新方法利用扫描透射电镜的电子束操控原子，整个过程完全由磁透镜进行电子控制，不涉及机械运动部件。这使得操作速度大大提升了，更具实际应用性。Li说：“在电子控制和人工智能的帮助下，我们有可能在微秒级的时间尺度上操纵原子。新方法比机械过程的控制速度快好几个数量级，并且具备多电子束同时操作的可能性。”UV教授、论文作者Toma Susi补充说：“这是一个振奋人心的原子级操作新范例。”
计算机芯片通常是由硅晶体和“掺杂”原子构成的。在“掺杂”过程中，掺杂原子的去向难以精确控制，而新方法能实现精确定位。Li等利用高度聚焦的电子束产生的能量将原子“撞出”原有位置，然后用磷原子进行掺杂。Li将这个过程比喻为“踢原子足球”。他说：“虽然情况不是决定性的，但是你可以控制概率。就像踢足球，球员总会想方设法将足球送进球门。我们的最终目标是以复杂的方式一次性移动多个原子，以制造出金字塔结构或缺陷复合体。”Susi补充说：“这是首次在石墨烯材料中操纵电子不同的掺杂原子。磷的电性能和磁性能非常有趣。当然，每种元素都有可能带来新的惊喜。”
Li强调说，电子束的能量和角度必须精确控制。实验中，他们除仔细观测了电子束能量和角度对石墨烯的影响外，还提出了一种预测理论。研究人员认为，Li等的研究不仅提供了实验依据，还构建了初步的理论框架，后续研究将因此受益匪浅。
原创编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：唐林芳
期刊来源：《科学进展》
期刊编号：2375-2548
原文链接：https://phys.org/news/2019-05-atoms-electron.html
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