石　峰　趙興旺

北京時間2008年9月１０日１５時３8分，科學(xué)史上一項偉大的實驗在位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心啟動，它就是歐洲大型強子對撞機（LargeHadronCollider，簡稱“LHC”）實驗?？茖W(xué)家用“質(zhì)子束的一小段行進，人類的一大步跳躍”高度評價它的意義。

這座超大型的強子對撞機不僅是世界上最大的粒子加速器，同時也是世界上最大的機器。它位于瑞士、法國邊境地區(qū)的地下100米深的環(huán)形隧道中，隧道全長26.659公里，建設(shè)耗資超過60億美元。有來自數(shù)十個國家和地區(qū)的2千多名物理學(xué)家及工程師參與了這一項目。其中我國中科院高能物理所研究員陳國明及其同事以及北京大學(xué)等近10所中國科研院所和高校的科研人員都參與了最核心研究——對“希格斯玻色子”的尋找。

素材觀察

北京時間2008年9月10日消息，據(jù)國外媒體報道，世界上體積最大的粒子對撞機——大型強子對撞機順利完成第一項重要測試。10日，科學(xué)家將一個質(zhì)子束導(dǎo)入17英里(27公里)長的隧道并讓其運行整條隧道長度，測試取得成功。科學(xué)家認(rèn)為，測試的成功為了解宇宙結(jié)構(gòu)邁出了重要的一步。

當(dāng)?shù)貢r間上午2008年10點36分(北京時間2008年16點36分)，在經(jīng)過一系列試運行之后，計算機屏幕上最終亮起兩個白點，說明質(zhì)子完成了運行耗資38億美元的大型強子對撞機整個長度的旅程。此時的項目負(fù)責(zé)人琳恩?埃文斯(Lyn Evans)只說了一句話——“到了?！?/p>

原創(chuàng)試題

一、關(guān)于粒子之間的作用力

1． 2008年9月10日歐洲大型強子對撞機順利啟動，其中一項重要任務(wù)是幫助科學(xué)家尋找標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一種未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子——希格斯玻色子。 標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了宇宙中所有的６２種基本粒子，并描述了支配其交互作用的法則，夸克即是其中之一。1995年3月2日，美國費米實驗室向全世界宣布，他們證實了頂夸克的存在。已知質(zhì)子、中子都是由上夸克和下夸克兩種夸克組成的，上夸克帶電為e，下夸克帶電為-e，e為電子所帶電量的大小，如果質(zhì)子是由三個夸克組成的，且各個夸克之間的距離都為l，l=1.5×10-15 m，試計算質(zhì)子內(nèi)相鄰兩個夸克之間的靜電力（庫侖力）。

二、模擬“宇宙大爆炸”

2． 2009年下半年，大型強子對撞機“開足馬力”后，能把數(shù)以百萬計的粒子加速至將近每秒鐘３０萬公里，相當(dāng)于光速的９９．９９％。這些接近光速的粒子對撞后，會創(chuàng)造出１00多億年前與宇宙大爆炸之后萬億分之一秒時的狀態(tài)相類似的條件，科學(xué)家期望能從中發(fā)現(xiàn)占宇宙質(zhì)量96%的暗物質(zhì)和暗能量的蹤跡，從而揭開宇宙起源之謎。設(shè)兩束質(zhì)子束對心正碰后，能量全部以光子的形式向外輻射，試求所輻射光子的頻率。（已知質(zhì)子質(zhì)量三、粒子加速器

3． 粒子加速器是一種用人工方法產(chǎn)生快速帶電粒子束的裝置。它利用一定形態(tài)的電磁場將電子、質(zhì)子或重離子等帶電粒子加速。能提供速度甚至接近光速的各種高能量的帶電粒子束是人們改變原子核和基本粒子、認(rèn)識物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)的重要工具。串列靜電加速器是加速質(zhì)子、重離子進行核物理基礎(chǔ)研究以及核技術(shù)應(yīng)用研究的設(shè)備，圖1是其構(gòu)造示意圖。S是產(chǎn)生負(fù)離子的裝置，稱為離子源；中間部分N為充有氮氣的管道，通過高壓裝置H使其對地有5.00×106 V的高壓?，F(xiàn)將氫氣通入離子源S，S的作用是使氫分子變?yōu)闅湓?，并使氫原子粘附上一個電子，成為帶有一個電子電量的氫負(fù)離子。氫負(fù)離子（其初速度為0）在靜電場的作用下，形成高速運動的氫負(fù)離子束流，氫負(fù)離子束射入管道N后將與氮氣分子發(fā)生相互作用。這種作用可使大部分的氫負(fù)離子失去粘附在它們上面的多余的電子而成為氫原子，又可能進一步剝離掉氫原子的電子使它成為質(zhì)子。已知氮氣與帶電粒子的相互作用不會改變粒子的速度。質(zhì)子在電場的作用下由N飛向串列靜電加速器的終端靶子T。試在考慮相對論效應(yīng)的情況下，求質(zhì)子到達T時的速度v。（電子電荷量q=1.60×10-19 C，質(zhì)子的靜止質(zhì)量m0=1.673×10-27 kg）

4． 粒子加速器除了有像串列靜電加速器這樣的直線加速器外，還有一種加速器叫回旋加速器，它的工作原理我們學(xué)習(xí)過。如圖2所示為一回旋加速器的示意圖，已知D形盒的半徑為R，中心上半面出口處O放有質(zhì)量為m、帶電量為q的正離子源，若磁感應(yīng)強度大小為B，求：

（1）加在D形盒間的高頻電源的頻率。

（2）離子加速后的最大能量。

（3）離子在第n次通過窄縫前后的速度和半徑之比。

5． 在歐洲大型強子對撞機中，為增強質(zhì)子束碰撞的效果，需要加速到極高的速度，可達光速的99.99%，試問同步回旋加速器能否完成這一任務(wù)？

四、愛因斯坦狹義相對論

6. 2008年9月10日9時38分，第一束質(zhì)子束流被注入安裝在地下１００米深的２７公里長環(huán)形隧道內(nèi)，大型強子對撞機開始運行，質(zhì)子束將被加速至光速的99.99%。已知質(zhì)子的靜質(zhì)量m0=1.67×10-27 kg，試求對撞前質(zhì)子的質(zhì)量變?yōu)樵瓉淼亩嗌俦叮?/p>

五、超導(dǎo)現(xiàn)象

7. 大型強子對撞機中強大的磁場需要用巨大的電磁體提供，巨大的磁體能夠精確“掌舵”，使粒子沿著精準(zhǔn)方向運動，但這需要很低的溫度來保證，這個溫度為零下456.25華氏度（零下271.3攝氏度），接近絕對零度，比外太空還要寒冷。那么為何要將磁鐵冷卻到接近絕對零度這樣的低溫呢？因為在此低溫下，磁鐵能在沒有任何電阻的情況下工作，這就是超導(dǎo)現(xiàn)象。下面有關(guān)超導(dǎo)現(xiàn)象說法正確的是（）

A. 任何物質(zhì)的溫度降到某一值時都會出現(xiàn)電阻突然為零的現(xiàn)象

B. 轉(zhuǎn)變溫度低于液氦溫度（4.2K）的超導(dǎo)體叫低溫超導(dǎo)體；轉(zhuǎn)變溫度高于液氦溫度的超導(dǎo)體叫高溫超導(dǎo)體

C. 高溫超導(dǎo)體現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于實際生活中

D. 超導(dǎo)體的主要特性是零電阻性，因此當(dāng)把這種材料用來遠距離輸電時能避免電能損失