人間は粒子をどのくらい速く加速できるのでしょうか?

この世で唯一負けない格闘技はスピードだ！宇宙で最も速い速度はどれくらいですか?それは光の速度だということは多くの人が知っていると思います（ここでは物質の速度のみを考慮しており、宇宙の膨張の速度などは考慮していません）！秒速約30万キロメートル！この速度であれば、光線は地球の赤道を 1 秒間に 7 回半も周回できることになります。 1日600億キロメートルを移動します！ 2番目に速い速度はどれくらいですか?諺にあるように、文学に一番はなく、武術に二番目はなく、最速の物体は一つしかなく、二番目に速い物体はありません。

しかし、宇宙の起源や物質の構成を研究するために、人類は粒子加速器や粒子衝突装置を建造し、極小の粒子を光速に近い超高速まで加速し、正面衝突させて粒子をバラバラにし、あらゆる方向に飛ばすようにしました。これらの散乱した粒子を収集し、その挙動を分析することで、衝突した粒子の特性を推測することができます。

実際の衝突データに基づいて再構成された LHC 粒子衝突の模式図

出典: https://home.cern/news/news/accelerators/lhc-experiments-join-forces-zoom-higgs-boson)

では、粒子をどのくらい速く加速できるのでしょうか?光の速度に到達できるでしょうか？残念ながら、これは不可能です。自然によって禁止されているのです。粒子のエネルギーと速度の関係は次のとおりです。

m は粒子の静止質量、c は光速、v は粒子の速度です。電子、陽子、原子核などの静止質量がゼロでない粒子が光速に達すると、そのエネルギーも無限大になることが分かりますが、これは明らかに不可能です。もちろん、光の速度に到達することはできませんが、光の速度に近づき続けることはできます。十分なエネルギーが供給されれば、粒子の速度は光速に十分近づくことができます。

著者が描いた粒子エネルギーと速度（光速に対する比）の関係

現在世界最大の粒子加速器は、欧州原子核研究機構にある大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) です。水素原子核である陽子を加速します。どれくらい速くなるのでしょうか?最速速度は光速の 99.9999991% に達し、光速に非常に近い値になります。

加速された電子はどうでしょうか?スタンフォード線形加速器 (SLAC) は、電子を光速の 99.999999995% まで加速できます。この速度は前述の陽子よりもはるかに速いですが、電子の質量は陽子の 1/1800 しかないため、実際には陽子よりも電子を加速する方が簡単です。上記のエネルギー式によれば、同じエネルギーの下では、静止質量が大きいほど、速度は小さくなります。

電子と陽子に加えて、さまざまな原子の核を加速する別のタイプの加速器があります。原子核は単純な陽子や電子よりもはるかに重いです。たとえば、米国ブルックヘブン国立研究所の相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）は、金の原子核を光速の 99.995% まで加速することができます。前述の陽子や電子の速度ほど速くはありませんが、それでも非常に高速です。原理的には、すべての原子核はほぼ光速まで加速できますが、その速度は当然、質量に応じて変化します。

これらの粒子を加速すると、自然に互いに衝突します。では、2つの原子核はどのような姿勢で衝突するのでしょうか?このような：

画像ソース: https://sciencesprings.wordpress.com/tag/eic-electron-ion-collider-in-development/

明らかにそうではありませんが、これは:

相対論的重イオン衝突のシミュレーション

画像出典: https://madai.phy.duke.edu/indexaae2.html?page_id=503

これは、原子核が一定の体積を持ち、速度が光速に近いため、速度の方向に収縮効果が発生し、球形の粒子がパンケーキになるからです。

しかし、これは限界ではありません。加速器が大きく長いということは、エネルギーが高くなり、速度が速くなることを意味します。将来、地球や太陽系、さらには天の川を周回する加速器を思い描く人は多いだろう。現時点では、これらはまだSFです。現在計画中または建設中の加速器と衝突型加速器を見てみましょう。

国際リニアコライダー（ILC）は陽電子と電子を加速して衝突させます。陽電子と電子は、約11キロメートルの線形加速器（円形ではない）によって別々に加速されます。電子を250GeVまで加速すると予想されており、その速度は光速の99.999999999979%に達し、小数点以下は合計11個の9になります。上記のSLACよりも高いです！完成すれば、史上最強の電子加速器と衝突型加速器となる。

中国は近年、目標エネルギー125GeVの円形加速器である円形電子陽電子衝突型加速器（CEPC）の推進も進めている。電子の速度は光速の 99.999999999916% で、これも 11 個の 9 です。さらに、計画によれば、すべてが順調に進めば、CEPCは後期に超陽子・陽子衝突型加速器（SppC）にアップグレードされる可能性がある。プロジェクトの第2フェーズでは、陽子を現在のLHCの7TeVよりもはるかに高い75TeVまで加速することが期待されています。その時、陽子の速度は光速の 99.999999992%、つまり 10 の 9 に達することができます。この速度は確かに十分に速いです!

CEPC設計コンセプト図

画像出典: https://new.qq.com/omn/20191210/20191210A0G0BH00.html

ここでもう 1 つ言及しておくべきことがあります。粒子のエネルギーが大きいほど良いということです。速度が速ければ速いほど良いというわけでもありません。それは研究目的によって異なります。たとえば、将来の重イオン衝突型加速器の目的は衝突エネルギーを増やすことではなく、衝突エネルギーを減らすことです。高エネルギー衝突は比較的簡単ですが、低エネルギー衝突は困難を伴います。

高エネルギー粒子の衝突についてここまで話してきたので、心配している人もいるかもしれません。粒子のエネルギーが非常に高いので、衝突によって巨大なエネルギーが発生し、地球が破壊されるのでしょうか?例えば、微小なブラックホールが生成され、地球を飲み込んだらどうなるでしょうか?

実のところ、この心配は根拠のないものである。粒子の高エネルギーとは、粒子単体の高エネルギーのことを指しますが、実際には、衝突型加速器内の粒子の総数は、マクロな物質に含まれる粒子の数に比べて非常に少ないため、総エネルギーも非常に小さくなります。吐く息の総エネルギーは、衝突装置内の粒子の総エネルギーよりもさらに高くなります。もちろん、吹き出す空気分子の平均エネルギーは衝突に使用するには低すぎます。

また、人間の加速粒子が到達するエネルギーはかなり高いようですが、宇宙で見ればまだ小さなハードルです。 1991年、宇宙から陽子が検出されました。その速度は光速の99.9999999999999999999999951%で、小数点以下は合計23個の9でした。これは、現在人類が達成できる速度とエネルギーをはるかに上回るものです。

この粒子のエネルギーは非常に高いため、人々はこれを「オーマイゴッド粒子」と呼んでいます（元々は「ゴッドダモン​​粒子」と呼ばれていましたが、野蛮だと考えられたため変更されたと言われています）。地球が存在した過去45億年の間に、そのような高エネルギー粒子はたくさんあったはずですが、地球はそれほど影響を受けておらず、人類は宇宙のどの惑星も高エネルギー粒子によって破壊されるのを観測したことはありません。だから、皆さん安心してください。衝突型加速器は地球を破壊することはできません!

制作：中国科学博覧会×知乎

著者: Ziqian (Zhihu 物理学優秀解答者)

この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。

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