生命教練～關教練的「整合管理」: 整合管理～3.1格物致知～02粒子冒險奇境～08我們如何用微小的粒子做實驗?

整合管理～3.1格物致知～02粒子冒險奇境～我們如何用微小的粒子做實驗?
加速器
加速器為物理學家解決了兩個難題。
第一，因為所有粒子的行為就像波一樣，所以物理學家利用加速器來增加粒子的動量，減少它的波長，使他可以穿進原子內部。

第二，快速粒子的能量可用來產生物理學家想要探究的重粒子。

加速器如何運作？
基本上，一個加速器取得一個粒子，利用電磁場加速它，然後把它轟向一個靶或者是其他粒子。在碰撞點附近有設許多偵測器，以便記錄這個事件。
問題：現在離你最近的粒子加速器是什麼？
[ 答案 ]
在你眼前的電腦螢幕! （舊型）

物理學家如何取得想要研究的粒子?
如何得到用來加速的粒子？
電子：加熱金屬，使電子溢出。電視，就像陰極射線管，就是利用這種機制。
質子：可輕易地由游離氫而得到。
反粒子：為了得到反粒子，首先要有高能粒子撞擊靶。然後，經由虛光子或膠子產生粒子反粒子對。最後用磁場分離它們。
加速粒子
要得到粒子相當簡單。物理學家加熱金屬得到電子，或除去氫的電子得到質子……
藉由強大的電場來吸引或者是排斥粒子，加速器使帶電粒子加速。然後將電場移到加速器下方，使粒子跟著移動。

在線性加速器中，電場是由移動的電磁波產生。當電磁波擊中一簇電子，在後面的粒子受力最大，而在前面的受力較小。於是，這些趕在電磁波前面的粒子就好像一陣波浪一樣。
下一頁用易於瞭解的動畫來展示這個過程。
加速粒子的動畫

上圖是以下觀念的動畫展示：

加速粒子的動畫如圖例
加速器的設計
設計加速器有幾種不同方法，每一種都各有長短。這裡有一張主要加速器設計選項的速覽表。
加速器可以分成兩種碰撞方式：
․固定靶：把粒子射向固定靶。

․粒子束互撞：兩束粒子互相衝擊。

加速器有兩種形狀：
․直線加速器（Linacs）：線性加速器，粒子由某端進去再由另一端出來。

․同步加速器（Synchrotrons）：做成圓形的加速器，粒子在裡面一直轉圈圈。

粒子撞擊定靶實驗

在粒子撞擊定靶實驗中，一個帶電粒子如電子或質子被電場加速後，撞擊一個固定靶（此靶可能是固體、液體，或者是氣體。）偵測器可由產生的粒子算出電量、動量、質量……諸如此類。
拉塞福金箔實驗（ Rutherford's gold foil experiment）就是一個例子。

在此實驗中，輻射源提供高能的α粒子，使之撞擊固定的金箔靶。而偵測器是鍍上一層硫化鋅的屏幕。
粒子束互撞實驗
在粒子束碰撞實驗中，兩束高能粒子互相穿越、碰撞。
這樣安排的好處就是兩束粒子都具有很大的動能，所以當他們發生碰撞時，產生的粒子就很有可能比粒子撞擊定靶實驗所產生的粒子重。（以同樣的能量而言）因為我們使粒子具有很大的動量，所以這些粒子的波長很短，而且可以作為很好的探子。（可偵測原子內部構造）
線性或者是圓形加速器
所有的加速器不是直線就是圓形，兩者的差別是：在直線加速器中，粒子就好像從槍中射出的子彈；在圓形加速器中，粒子快速轉圈圈，而且每轉一圈就會受到一些推力。兩種都是藉著電場波（an electric-field wave）加速粒子。
在粒子撞擊固靶實驗會使用直線加速器(linacs)。它可使粒子進入圓形加速器，或者是直線撞擊。

粒子撞擊固定的靶：

把粒子射入圓形加速器：

使粒子束直線互撞：

圓形加速器 (synchrotron)可用來提供粒子束互撞實驗所需的粒子束，或者是可將粒子束抽出圓形軌道，用來進行粒子撞擊定靶實驗。

粒子束互撞：

將粒子束抽出使之撞擊固靶：

在圓形加速器中有強大的磁鐵迫使粒子轉彎，所以粒子一直轉圈圈，無法脫離加速器。
在加速器中的磁鐵如何使粒子轉圈圈呢？
什麼使粒子轉圈圈？

為了使任何物體轉圈圈，必須要有一朝向圓心的定力（向心力）。在圓形加速器中，電場使帶電粒子加速，而大磁鐵提供向心力，使粒子轉圈圈。(左圖中，白色箭頭代表粒子速度，黃色箭頭代表磁場所提供的向心力。）
磁場的存在並不會增加或減少粒子的能量，只會使粒子路徑順著加速器的弧度。磁場也可用來指引帶電粒子束朝向靶和集中粒子束，就像光學透鏡聚光一樣。
問題：如果磁場使電子轉順時針方向，那磁場會使正子（正電子）走哪個方向呢？

[ 答案 ]
逆時針方向！同樣的磁場使正電子反向繞成同樣的圓。
加速器設計的優劣
圓形加速器優於線性加速器的地方在於粒子在圓形加速器(synchrotron)中繞行很多次，每繞行一圈就獲得一些能量。

因此，圓形加速器可以不需要很長的長度，就能提供具有非常高能量的粒子。甚至，粒子繞行很多次表示在粒子束相交的地方，粒子有很多機會發生碰撞。
另一方面，因為線性加速器不需要很大的磁鐵來使粒子繞圈圈，所以線性加速器製造方式比圓形加速器容易多了。而且為了使粒子獲得足夠高的能量，圓形加速器也需要很大的半徑，製造費用相對而言也比較高。
另一件物理學家需要顧慮的事是，當一個帶電粒子被加速，它會輻射出能量。在高能的狀態下，圓形加速器的能量散失比線性加速器大。

除此之外，加速質量輕的電子能量散失的情形比質量重的質子嚴重，因此電子和反電子（正子）只能夠在線性加速器或具有大半徑的圓形加速器內獲得高能量。
問題 : 一個物體能在保有相同速率的情況下加速嗎？
[ 答案 ]
可以，速率是每單位時間行走距離的絕對變化量，但是速度包含速率和方向，而加速度是每單位時間速度的變化量。因此，在圓形軌道中運動的粒子維持同樣的速率卻一直改變方向，速度改變，有受到加速作用。
主要的加速器
在此，我們邀請你一起探索世界主要加速器的基礎計畫，讓你真正瞭解加速器設計的相異處。

․SLAC （Stanford Linear Accelerator Center）史丹福線性加速器中心：位於加州，曾發現神奇的夸克 (also discovered at Brookhaven)和輕粒子τ ，目前正在用加速器產生大量的B介子。
․Fermilab（Fermi National Laboratory Accelerator）費米國家實驗室加速器：位於伊利諾州，曾發現底夸克、上夸克和微中子。
․CERN（European Laboratory for Particle Physics）歐洲粒子物理實驗室：位於瑞士與法國的交接處，曾發現W和Z粒子。
․BNL（Brookhaven National Lab）布魯克哈芬國家實驗室：位於紐約，與SLAC同時發現夸克。
․CESR（Cornell Electron-Positron Storage Ring）康乃爾電子-正子儲存環：位於紐約，CESR 專門研究底夸克。
․DESY（ Deutsches Elektronen-Synchrotron）德意志同步加速器：位於德國，曾發現膠子。
․KEK（ High Energy Accelerator Research Organization）高能加速器研究組織：位於日本，目前正在用加速器產生大量的B介子。
․IHEP（ Institute for High-Energy Physics）高能物理學會：位於中國人民共和國，專門研究τ輕子和夸克。
事件
加速器給粒子足夠能量後，粒子不是用來撞擊靶就是彼此互撞。每一個碰撞都稱為事件。物理學家希望能分離每一個事件，從中收集數據，觀察事件中的粒子是否遵守他們想驗證的理論。

因為碰撞後會產生很多粒子，所以每個事件都是非常複雜的。大部分的粒子壽命非常短，以致於在衰變為其他粒子前只走了非常短的距離，並沒有留下任何可供偵測的軌跡。
如果物理學家從來沒有紀錄過幾種重要的粒子的存在，他們要如何判斷發生什麼事呢？
偵測器
就像拉塞福用硫化鋅測試看不見的α粒子的存在，且利用這個知識決定α粒子的路徑，現代物理學家必須觀察粒子的衰變產物，從中推論粒子的存在。
為了尋找各式各樣的粒子和衰變產物，物理學家已經設計了具備多種測試功能的偵測器，可以同時測試事件的不同面。現代偵測器的每一個零件都用來測量粒子的能量和動量和，或者是，區別不同的粒子種類。當所有零件一起偵測一個事件，我們可以從許多粒子中選出特別的粒子群來分析。
從這些事件，電腦收集並解釋這些從偵測器得來的大量數據，提供物理學家其推論的結果。
偵測器的形狀
物理學家對粒子碰撞中和碰撞後發生的事件感到非常的好奇。因此，他們把偵測器放在特定地方，那兒將有多如陣雨般的粒子尾隨事件而來。根據所要分析的碰撞形式，偵測器有不同的製造方式。
粒子撞擊固定的靶：