用於粒子對撞實驗的粒子是怎樣獲取的？

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用於粒子對撞實驗的粒子是怎樣獲取的？又是怎樣保存的？

我會告訴你們我打算寫一系列答案來複習qualify exam口試 _(:з」∠)_

零，摘要

這個問題就是當年上加速器物理課時候的一節課大概，我這個答案主要包括兩部分，第一部分會總要地說說粒子源的原理，第二部分會列舉不同粒子源的具體原理。另外有些中文翻譯是我瞎翻的，我把英文標在後面，英文是準確的…

一，總體思路

我們用於對撞的粒子多數是大量存在於自然之中的粒子，它們大多存在於束縛態中，因為能量不夠而不能逃逸出來，而我們想要的是自由的、高純度的的粒子束。所以總的來說大部分粒子源裝置就是給束縛態能量，使想要的粒子逃逸出來成為自由態，這就是大部分粒子源的原理。

對於反物質（比如正電子，反質子）這種並不是自然地存在的粒子，我們則需要產生它們。

還有一個想要說的是，粒子源主要包括兩部分，第一部分是產生粒子[Generator]，第二部分是加速[Accelerating]和聚焦[Focusing]，經過一系列處理才能得到我們想要的、高質量的粒子束。

二，具體各種粒子源的原理

電子源[Electrons sources]

我們一般就是用不同的方法使得固體中的電子獲得足夠高的能量，以至於它們能從固體的束縛中逃逸出來。不同的方法包括：

加熱[Thermionic emission]：給金屬加熱，使得電子獲得足夠高的能量逃逸。比如費米實驗室的LINAC LAB Gun。
光電效應[Emission by photoelectric effect]：光電效應是說合適能量的光子可以給電子能量，從金屬中逃逸。比如斯坦福SLAC的LCLS RF Gun。
場致發射[Field emission]：這個和前面兩種不太一樣，再量子力學中有一種叫隧穿tunneling的效應，是說粒子可以穿過在經典力學中本不能穿過的能量勢壘，場致發射電子源利用的就是這種效應，給金屬加一個強電場，使電子逃逸出來。
次級發射[Secondary emission]：用粒子[Primary particles]（一般是電子、光子、質子、中子、離子等）去打固體，使得電子獲得足夠高的能量逃逸出來。這之中發生了很多不同的物理過程，比如電離[Ionization]、彈性散射[Elastic scattering]、俄歇效應[Auger electrons]、對產生[Pair formation]等等。

離子源（質子源）[Protons and ions sources]

將中性原子或分子氣體分解至等離子體狀態[Plasma]，等離子體中有自由電子，自由離子（包括質子）等，再將離子（包括質子）引出。這裡說的分解可以是

加熱[Thermal]，高溫使電子得到足夠的能量從分子或原子中
電磁[Electromagnetic]，電磁方法的分解有很多種，舉一個例子，電子迴旋共振離子源[ECR sources]。有高中物理知識的人應該知道，非相對論粒子在磁場中做迴旋運動的頻率和能量無關。ECR離子源就是給在菜場中做迴旋運動的電子一個和迴旋頻率相同頻率的電磁波，使電子獲得能量，成為自由電子。

負離子源[Negative ions sources]

負離子和正離子不同，正離子大量存在於自然存在的原子中。負離子源一般是先產生包含自由正離子的等離子體，然後再讓正離子俘獲電子形成負離子。這個轉變過程主要有三種：

轉荷源[Charge exchange]：用正離子束打強鹼金屬氣體靶可以產生負離子，這個方法的效率比較低。
表面源[Surface sources]：將等離子體輸入表面有銫鍍膜的腔體，這樣等離子體中的正離子和腔體表面的銫膜作用產生負離子。這個方法常用於產生H-
體積源[Volume sources]：氣體分子的散射也可以產生負離子。

事實上現在對於負離子源的研究尚還不是非常成熟，我們對於這個過程的理解也並不完全充分。

正電子源[Positrons sources]

和上述這些粒子源不同，正電子源不是從束縛態中剝離粒子，我們要產生正電子。可能有些人知道一定能量的光子和強場作用（比如原子核）可以產生正負電子對（大致原理在最後稍微講了下）。正電子源一般是讓電子打靶，電子被原子核偏轉發射光子，其中能量合適的光子在原子核的作用下產生正負電子對。

反質子源[Anti-protons sources]

這個和正電子源類似，是用質子打靶（比如銅），散射產生正反質子對。

中子源[Neutrons sources]

現在常用的中子源有兩種：

反應堆中子源：就是通過核反應產生中子，但是這種中子源的發展比較受限，因為某些眾所周知的原因，U235的使用受到很強的限制。
散裂[Spallation]中子源：是用質子打豐中子核，打碎原子核產生很多中子。

三，其他

簡單說說產生正負電子對的原理，在量子場論中我們知道光子可以在光子和正反粒子對這兩種態震蕩，但是這時的粒子對是虛粒子[Virtual particle]，不會被探測，存在時間遵循海森堡不確定原理，如果光子的能量比正負電子靜能量高，可以在強場的作用下使虛粒子對變成真實的粒子對。
儲存主要用儲存環，具體內容我之後再補充吧…
最後放一張本科畢業論文的黑歷史……當時做的是產生放射性核素的模擬

樓上太勤奮了，我比較懶，還是直接扔個 CERN 的視頻好了……

The accelerator complex

CERN 的公關和教育部門每年會花很多錢製作這樣的動畫，6分鐘比我打6萬字還講得清楚……

另外，補充一些 fun facts [1]:

LHC 的質子源，就是普普通通的一罐商用氫氣
每10小時，LHC 需要補充一次質子。一立方厘米標準大氣壓的氫氣，足夠補充 100000 次所需質子
假設線性消耗，這罐氫氣需要40億年才能消耗光
所以實際情況是，這灌氣在 LHC 消耗光前早漏光了
每年 LHC 消耗掉的質子，只佔 CERN 生產的質子總量 0.018%
這是因為，LHC 主環運行的大部分時間，是讓質子在裡面跑圈，加速所用的時間是小頭
因此，LHC 其實是一個儲存環（storage ring）……

好了，產生和儲存都回答了。其他加速器無非產生機理不同；作為環形對撞機，大家其實都是儲存環……

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[1] Taking a closer look at LHC

前面 @Forsoul Coz 的答案講了質子是怎麼製造的，用氫氣電離得到。適用於質子對撞機。那其他的粒子怎麼得到呢？
1. 電子直線對撞機或電子質子對撞機：
主要是電子怎麼得到。電子的產生三種原理：
熱發射（把LaB6燒紅了，一加電場就能出電子），光發射（打激光出電子）和場致發射（加個高場，針尖就能出電子）

熱發射或場致發射應用在很多電子儲存環，同步輻射里。
對於希望得到高亮度的電子直線加速器，一般需要光發射的電子，把激光照射在銻化物或碲化物的半導體或金屬上就能產生非極化的電子。因為激光容易控制，可以產生10^-12s 級別的短束團並提高亮度。
如果需要極化的電子束比如未來的ILC（國際直線對撞機）或EIC（電子質子對撞機），那麼就需要一種特殊的晶體：砷化鎵。當圓極化的激光打在這種晶體上就能產生自旋方向一致的電子。
正電子一般通過電子打靶產生。一定能量的電子流轟擊靶材後產生高強度的韌致輻射。同時輻射激發出正電子，在電場的作用下進行加速。

上圖是我的光陰極超導電子槍

2.強子對撞機中的重離子：
強子對撞機需要高電荷態的重離子。重離子一般通過先電離原子，加速，然後再剝離原子的內層電子產生。在離子槍內高電場的作用下，產生等離子體。通過電場將重離子引出，經過前級加速器加速後電子流轟擊碳膜或氣體剝離內層電子。再將這些重離子放入到主加速器進行加速。

BNL的 Optically Pumped Polarized Ion Source

至於保存，一般大型重離子對撞機都是儲存環式同步加速器的。就是通過不斷注入粒子達到所需要的流強和能量後進開始碰撞。等束流損失後再進行注入。
電子對撞機有儲存式的也有直線的。直線對撞機一旦撞完了就直接進入垃圾靶了。也有比較新的能量回收直線加速器。把加速後的電子重新進入加速器在反相位進行減速，讓加速器儲存能量而不是粒子，用於新的粒子加速。好處是電子品質一直很好，並且不浪費能源。

現在工業這麼發達，野生的粒子很少了。
基本上都是養殖的粒子，
普遍國外的粒子質量比較好，國內的由於有些不良商家在粒子里過量使用不合格的粒子添加劑，質量並不過關。

粒子黑作坊普遍是某體星人，為了阻撓人類物理學發展。以往這塊屬於法律空白區。

介於兩會開展和歐洲粒子加速器的復甦，習近平做出重要講話:要嚴格把好養殖的基本模型粒子質量關。並明確提出，某體人也要擁護，堅持遵守基本國策，為祖國建設填磚加瓦。
以上由本台記者蝸牛包報道。

為了讓閃電俠Barry Allen出現：）