人类的一大步跳跃

石　峰　赵兴旺

北京时间2008年9月１０日１５时３8分，科学史上一项伟大的实验在位于日内瓦的欧洲核子研究中心启动，它就是欧洲大型强子对撞机（LargeHadronCollider，简称“LHC”）实验。科学家用“质子束的一小段行进，人类的一大步跳跃”高度评价它的意义。

这座超大型的强子对撞机不仅是世界上最大的粒子加速器，同时也是世界上最大的机器。它位于瑞士、法国边境地区的地下100米深的环形隧道中，隧道全长26.659公里，建设耗资超过60亿美元。有来自数十个国家和地区的2千多名物理学家及工程师参与了这一项目。其中我国中科院高能物理所研究员陈国明及其同事以及北京大学等近10所中国科研院所和高校的科研人员都参与了最核心研究——对“希格斯玻色子”的寻找。

素材观察

北京时间2008年9月10日消息，据国外媒体报道，世界上体积最大的粒子对撞机——大型强子对撞机顺利完成第一项重要测试。10日，科学家将一个质子束导入17英里(27公里)长的隧道并让其运行整条隧道长度，测试取得成功。科学家认为，测试的成功为了解宇宙结构迈出了重要的一步。

当地时间上午2008年10点36分(北京时间2008年16点36分)，在经过一系列试运行之后，计算机屏幕上最终亮起两个白点，说明质子完成了运行耗资38亿美元的大型强子对撞机整个长度的旅程。此时的项目负责人琳恩•埃文斯(Lyn Evans)只说了一句话——“到了。”

原创试题

一、关于粒子之间的作用力

1． 2008年9月10日欧洲大型强子对撞机顺利启动，其中一项重要任务是帮助科学家寻找标准模型中最后一种未被发现的基本粒子——希格斯玻色子。 标准模型预言了宇宙中所有的６２种基本粒子，并描述了支配其交互作用的法则，夸克即是其中之一。1995年3月2日，美国费米实验室向全世界宣布，他们证实了顶夸克的存在。已知质子、中子都是由上夸克和下夸克两种夸克组成的，上夸克带电为e，下夸克带电为-e，e为电子所带电量的大小，如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l，l=1.5×10-15 m，试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力（库仑力）。

二、模拟“宇宙大爆炸”

2． 2009年下半年，大型强子对撞机“开足马力”后，能把数以百万计的粒子加速至将近每秒钟３０万公里，相当于光速的９９．９９％。这些接近光速的粒子对撞后，会创造出１00多亿年前与宇宙大爆炸之后万亿分之一秒时的状态相类似的条件，科学家期望能从中发现占宇宙质量96%的暗物质和暗能量的踪迹，从而揭开宇宙起源之谜。设两束质子束对心正碰后，能量全部以光子的形式向外辐射，试求所辐射光子的频率。（已知质子质量三、粒子加速器

3． 粒子加速器是一种用人工方法产生快速带电粒子束的装置。它利用一定形态的电磁场将电子、质子或重离子等带电粒子加速。能提供速度甚至接近光速的各种高能量的带电粒子束是人们改变原子核和基本粒子、认识物质深层结构的重要工具。串列静电加速器是加速质子、重离子进行核物理基础研究以及核技术应用研究的设备，图1是其构造示意图。S是产生负离子的装置，称为离子源；中间部分N为充有氮气的管道，通过高压装置H使其对地有5.00×106 V的高压。现将氢气通入离子源S，S的作用是使氢分子变为氢原子，并使氢原子粘附上一个电子，成为带有一个电子电量的氢负离子。氢负离子（其初速度为0）在静电场的作用下，形成高速运动的氢负离子束流，氢负离子束射入管道N后将与氮气分子发生相互作用。这种作用可使大部分的氢负离子失去粘附在它们上面的多余的电子而成为氢原子，又可能进一步剥离掉氢原子的电子使它成为质子。已知氮气与带电粒子的相互作用不会改变粒子的速度。质子在电场的作用下由N飞向串列静电加速器的终端靶子T。试在考虑相对论效应的情况下，求质子到达T时的速度v。（电子电荷量q=1.60×10-19 C，质子的静止质量m0=1.673×10-27 kg）

4． 粒子加速器除了有像串列静电加速器这样的直线加速器外，还有一种加速器叫回旋加速器，它的工作原理我们学习过。如图2所示为一回旋加速器的示意图，已知D形盒的半径为R，中心上半面出口处O放有质量为m、带电量为q的正离子源，若磁感应强度大小为B，求：

（1）加在D形盒间的高频电源的频率。

（2）离子加速后的最大能量。

（3）离子在第n次通过窄缝前后的速度和半径之比。

5． 在欧洲大型强子对撞机中，为增强质子束碰撞的效果，需要加速到极高的速度，可达光速的99.99%，试问同步回旋加速器能否完成这一任务？

四、爱因斯坦狭义相对论

6. 2008年9月10日9时38分，第一束质子束流被注入安装在地下１００米深的２７公里长环形隧道内，大型强子对撞机开始运行，质子束将被加速至光速的99.99%。已知质子的静质量m0=1.67×10-27 kg，试求对撞前质子的质量变为原来的多少倍？

五、超导现象

7. 大型强子对撞机中强大的磁场需要用巨大的电磁体提供，巨大的磁体能够精确“掌舵”，使粒子沿着精准方向运动，但这需要很低的温度来保证，这个温度为零下456.25华氏度（零下271.3摄氏度），接近绝对零度，比外太空还要寒冷。那么为何要将磁铁冷却到接近绝对零度这样的低温呢？因为在此低温下，磁铁能在没有任何电阻的情况下工作，这就是超导现象。下面有关超导现象说法正确的是（）

A. 任何物质的温度降到某一值时都会出现电阻突然为零的现象

B. 转变温度低于液氦温度（4.2K）的超导体叫低温超导体；转变温度高于液氦温度的超导体叫高温超导体

C. 高温超导体现已广泛应用于实际生活中

D. 超导体的主要特性是零电阻性，因此当把这种材料用来远距离输电时能避免电能损失