图注：在圆环中加速粒子，用磁铁使其弯曲并与其他高能粒子或反粒子碰撞，是探索宇宙新物理的最有力方法之一。为了找到大型强子对撞机所不能找到的，我们必须去寻找更高的能量和/或更高的精度加速器，而这需要一个更大的隧道。在欧洲的地下深处，世界上最强大的粒子加速器安装在一个周长约27公里的圆形隧道里。通过排出内部的所有空气，以接近光速运动的质子以相反的方向循环，被推到有史以来人工创造的最高能量。在几个点上，两个内部光束尽可能紧密地聚焦并交叉，在这里，通过的每一束质子都会发生少量的质子-质子碰撞。然而，每个粒子的能量最高约为7tev：不到我们从最高能量宇宙射线粒子观测到的能量的0.%。大型强子对撞机，为什么这样一个巨大的、强大得难以置信的机器不能把51焦耳的能量注入一个亚原子粒子？当你看到我们在地球上所做的和在太空中所发生的事情时，根本无法进行比较。图注：当两个质子碰撞时，碰撞的不仅仅是夸克，还有海夸克、胶子，以及超越这些的场相互作用。所有这些都可以提供对单个组件自旋的见解，并使我们能够在达到足够高的能量和亮度时产生潜在的新粒子。像大型强子对撞机（LHC）一样复杂复杂的机器，其工作原理异常简单。质子和一般带电粒子可以通过电场和磁场加速。如果你在质子运动的方向上施加电场，电场会对质子施加正力，使其加速并获得能量。如果有可能建立一个无限长的粒子加速器，而你不必担心任何其他的力或运动，这将立即给我们一个理想的方法来创造任何高能粒子，我们可以梦想。把电场施加到质子上，这会使你的质子感受到一种电力，你的质子就会加速。只要磁场存在，你能向质子注入多少能量是没有限制的。图注：一个假设的新加速器，不管是一个长的直线加速器，还是一个埋在地下的大隧道里的加速器，都可能使先前和现在的对撞机所能达到的对新粒子的精度相形见绌。即使这样，也不能保证我们会发现新的东西，但如果我们不努力，我们肯定不会发现新的东西。一个完美的直线对撞机横跨美国大陆可能有公里长，但需要下沉或上升数百公里以上的地球表面，以适应我们的星球的曲率。大型强子对撞机使用的加速腔效率极高，每经过一米粒子可加速约万伏。然而，如果你想将“仅仅”51焦耳的能量注入质子，那就需要一个长亿公里的加速器空腔：大约是地球到太阳距离的倍。虽然这将使你获得每个粒子大约个五角电子伏特（eV）的能量，大约是LHC实际达到的能量的万倍，但是建立一个跨越如此远的距离的均匀电场是极其不切实际的。即使在美国最长的连续距离（接近4，km）之间构建线性粒子加速器，也只能使每个粒子达到大约22TeV：仅比LHC更好。（由于地球的曲率，它将不得不在地球上方/地下数百公里上升/下沉）。这就说明了为什么最高能量的粒子加速器，也就是加速质子的粒子加速器，在结构上几乎从来不是线性的，而是弯曲成圆形的。图注：未来环形对撞机（FCC）的规模，与目前在欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机和以前在费米实验室运行的Tevatron相比。未来的环形对撞机可能是迄今为止最雄心勃勃的下一代对撞机计划，包括轻子和质子选项，作为其拟议科学计划的各个阶段。更大的尺寸和更强的磁场是“放大”能量的唯一合理方法。当需要电场来把你的粒子带到更高的能量并使它们接近光速的百分之零点几时，磁场也可以通过将带电粒子弯曲成圆形或螺旋形的路径来加速它们。实际上，这正是大型强子对撞机和其他类似的加速器如此高效的原因：只要几个加速腔，你就可以通过反复使用它们来加速相同的质子来获得巨大的能量。然后，设置看起来很简单。首先，在将质子注入LHC的主环之前，先以某种方式加速质子，然后它们会在那里遇到：直的部分，电场使质子加速到更高的能量，弯曲的部分，磁场偏转粒子的运动路径，直到他们到达下一个直线部分，重复这个直到你达到你想要的能量。图注：在大型强子对撞机内部，质子以米/秒的速度相互通过，仅比光速低3米/秒。像大型强子对撞机这样的粒子加速器由加速腔组成，在加速腔中施加电场以加速内部粒子，以及在环形弯曲部分施加磁场以将快速移动的粒子导向下一个加速腔或碰撞点。那么，为什么用这个程序不能达到任意高的能量呢？实际上有两个原因：一个在实践中阻止我们，另一个在法则上阻止我们。实际上，粒子的能量越高，弯曲它所需要的磁场就越强。这和开车的原则是一样的：如果你想急转弯，最好减速。如果你走得太快，轮胎和路面之间的作用力会太大，你的车会滑出路面，导致灾难。你要么需要减速，建造一条曲线更大的道路，要么（不知何故）增加汽车轮胎和道路之间的摩擦。在粒子物理学中，情况是一样的，除了弯曲的隧道是弯曲的道路，粒子的能量是速度，磁场是摩擦力。图注：早在20世纪40年代，像戴维斯三轮车这样的汽车就达到了这样的稳定性，它们可以以每小时55英里的速度行驶而不会打滑。要跑得更快，你要么增加与道路的摩擦，要么增加你的圆的半径，类似于粒子加速器的局限性，要么需要更大的环，要么需要更强的场来达到更高的能量。这意味着粒子的能量本质上是有限的，在实践中，取决于你所建造的加速器的大小（具体来说，取决于它的曲率半径）和使粒子弯曲的磁铁的强度。如果你想增加你的粒子的能量，你可以建造一个更大的加速器或增加磁铁的强度，但这两个都是巨大的实际（和财政）挑战；在能源前沿的一个新的粒子加速器现在是每代一次的投资。然而，即使你能做到心满意足，原则上你仍然会受到另一种现象的限制：同步辐射。当你对一个移动的带电粒子施加磁场时，它会发出一种特殊的辐射，即回旋加速器（用于低能粒子）或同步加速器（用于高能粒子）辐射。虽然这有它自己的实际用途，例如在阿贡实验室的先进光子源中率先应用，但它从根本上进一步限制了被磁场弯曲的粒子的速度。图注：相对论性电子和正电子可以加速到非常高的速度，但会以足够高的能量发射同步辐射（蓝色），阻止它们移动得更快。这个同步辐射是卢瑟福多年前预言的辐射的相对论模拟，如果你用引力场和电荷代替电磁场和电荷，它有一个引力类比。同步辐射的局限性就是为什么要达到最高能量，我们加速质子而不是电子。你可能认为电子是获得更高能量的最佳选择；毕竟，它们的电荷强度与质子相同，但质量仅为1/，这意味着相同的电力可以使它们加速近倍。对于给定的电场，粒子所经历的加速度取决于粒子的电荷质量比。但由于这种效应，能量被辐射的速率取决于电荷与质量之比与四次方的比值，这就限制了你能很快获得的能量。如果大型强子对撞机是用电子而不是质子运行的，它只能达到每粒子0.1tev左右的能量，这与大型强子对撞机的前身大型电子正电子对撞机（LEP）实际遇到的极限是一致的。图注：欧洲核子研究中心的鸟瞰图，其中描绘了大型强子对撞机的周长（总共27公里）。之前，同一个隧道被用来安置一台电子-正电子对撞机LEP。LEP的粒子比LHC的粒子快得多，但是LHC的质子携带的能量比LEP的电子或正电子携带的能量要多得多。要超过同步辐射的极限，你必须建造一个更大的粒子加速器；建造一个更强的磁铁不会给你带来任何好处。虽然许多人正试图构建下一代粒子对撞机，利用更强大的电磁铁和更大的环半径，人们所梦寐以求的最大能量仍然只有约TEV每碰撞：这仍然是一个比宇宙本身能产生的低百万倍。从根本上限制了粒子在地球上获得的能量的物理仍然存在于太空中，但是宇宙为我们提供了地球实验室永远无法实现的条件。地球上产生的最强磁场，比如在国家高磁场实验室，可以接近吨：比地球磁场强一百万倍多一点。相比之下，最强的中子星，即磁星，可以产生高达0亿吨的磁场！图注：一颗中子星是宇宙物质密集集集的一种，它通过加速物质产生强大的磁场脉冲。我们曾经发现的快速中子星星是一颗脉冲星，每秒钟次。然而，现在我们有了一张从NICER,来的脉冲星地图，我们知道这两个极模型是不正确的；脉冲星的磁场更为复杂。在太空中发现的自然实验室不仅能加速质子和电子，还能加速原子核。我们曾经非常精确地测量过的最高能量宇宙射线不仅仅是质子，而是像铁一样的原子重核，其质量是质子的50倍以上。宇宙射线中能量最高的一束，俗称“哦，我的上帝”粒子，很可能是一个在极端天体物理环境中加速的重铁原子核：围绕着一颗中子星，甚至是一个黑洞。我们能在地球上产生的电场根本无法与这些天体物理环境中发现的加速场的强度相提并论，在这些环境中，比我们整个太阳系包含的更多质量和能量被压缩成一个体积，大约有一个像茂宜岛这样的大岛那么大。没有同样的能量、环境和宇宙尺度，地球物理学家根本无法与之竞争。图注：来自具有极强磁场的中子星（磁星）的最高能量爆发可能是一些有史以来观测到的最高能量宇宙射线粒子的原因。像这样的中子星质量可能是太阳的两倍，但被压缩成与茂宜岛相当的体积。如果我们能扩大我们的粒子加速器的规模，就好像成本和建设不是目标一样，我们有一天可能希望能与宇宙提供的相匹配。有了可以与我们现在在大型强子对撞机中所拥有的磁铁相媲美的磁铁，环绕地球赤道的粒子加速器可以达到大型强子对撞机所能达到的能量的1倍。延伸到月球轨道大小的能量将达到大型强子对撞机所能达到的近10万倍。再往前走，一个地球轨道大小的圆形加速器最终会产生质子，其能量达到了上帝的粒子：51焦耳。如果把粒子加速器一直放大到太阳系的大小，理论上你可以探测弦理论、膨胀，并从字面上再现大爆炸级别的能量，有可能导致宇宙末日。图注：如果我们真的想用我们建造的粒子加速器获得最高的能量，我们就必须开始在比整个行星更大的尺度上建造它们；也许去太阳系尺度是不应该被忽略的事情。现在，也许不幸的是，这些将仍然是物理学爱好者和疯狂科学家的梦想。实际上，地球上的粒子加速器，受尺寸、磁场强度和同步辐射的限制，根本无法与我们自然宇宙提供的天体物理实验室竞争。

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