物理学家想要在月球上建造粒子对撞机 有什么用?

走上月球并在月球上修建繁杂的试验设备将会碰到很大的技术性挑戰,但这个问题获得处理,物理也许将迈入极大的提升。美国国家航空航天局(NASA)近期起动了“商业服务月球重力梯度服务项目方案”(CLPS),其目地是找寻将来能送至月球表层的最好重力梯度,包含用以基础学科调研的仪器设备等。这儿显示信息的是洛克希德·乔治企业的商业月球着陆器设计概念

伴随着对宇宙空间运行方法的探寻愈来愈深层次,粒子物理实验也越来越愈来愈繁杂。以便表明最细微的亚原子粒子的秘密,物理学家务必使对撞机和探测仪的温度尽量低,并尽量地除去不必要气体,使他们维持静止不动,进而得到 靠谱的結果。

因而有物理学家明确提出,如果我们绕过这种,立即在月球上开展粒子物理实验会怎么样?2020年稍早发布在预印本数据库查询arXiv上的一篇毕业论文觉得,月球事实上是一个很合适开展高能物理科学研究的场地。

最先,月球很冷,温度能够极低。那边沒有空气和水,因而就沒有物质把太阳的发热量从一个地区传送到另一个地区。晚间,当太阳光落入月球的黎明时分下列时,温度会降至零下73摄氏——在地球上典型性的超低温试验设定范畴内。大白天,月球温度会上升一些,做到38摄氏之上。可是,如同月球陨坑的黑影中也掩藏着水冰,在月球上,你只必须一点点荫凉就可以让自身制冷出来;在沒有气体和水的标准下,沒有太阳照射的地区便是严寒的。

物理学家必须那样的超低温是有缘故的。在粒子网络加速器中,超低温保证了超导磁体不容易自主熔融。超导磁体的功效取决于将粒子抛入网络加速器,使其做到贴近超快速的速率。次之,探测仪的温度越高,从亚原子粒子中挑选出细微数据信号时所需解决的噪声就越大——大量的发热量等同于大量的分子结构震动,也就相当于大量的噪声。

除开严寒的温度,月球沒有地球大气层的客观事实也是一个关键优点。在地球上,物理学家务必把网络加速器和探测仪里的气体所有抽离出来,由于在试验刚开始以前,你并不期待贴近超快速的粒子撞向一个四处流荡的氮分子。月球的真空比物理学家在试验室中生产制造的一切标准必须好10倍之上,并且是顺理成章的,不用一切勤奋。

最终因为潮汐锁定,月球的自转周期两者之间绕地球上转动的時间同样,因而月球持续保持同一面偏向地球上。这代表着月球的粒子束偏向地球上的检测试验室,不用十分艰辛地调节设定就能充分发挥远距离的优点。

一、月球中微子加工厂

针对月球上的物理实验,最有市场前景的主要用途也许便是做为中微子的来源于。中微子是一种鬼魂般细微粒子,沒有正电荷,也基本上沒有品质。这促使他们可以越过一切正常的化学物质而几乎不被发觉——时时刻刻,数以千亿计的中微子已经越过你的人体,但你哪些也觉得不上。

因为这类特性,中微子难以被科学研究和了解。这类粒子是在核反应中很多造成的,因而我们可以在月球里建一座核电厂,从而造成的中微子会快速奔向地球上,而地球上的物理学家就可以将他们搜集起來开展科学研究。

中微子一个烦人而神密的特点是,他们可以在航行时更改种类(用物理专业术语而言便是更改“味”,中微子的三种“味”分别是电中微子、μ中微子和τ中微子)。根据长距离分离出来中微子的造成和检测,大家让大量的中微子拥有更改“味”的机遇,进而尽快了解这类个人行为。月球能够做为一个极致的中微子来源于:它离大家充足远,能够开展长距离分离出来,但另外又充足近,能够捕捉充足多的中微子来开展具体科学研究(假如出現什么问题得话,还可以清除机器设备常见故障)。

二、谁还必须地球上呢?

假如可以在月球上创建物理实验设备,那大家还能够向地球上发送中微子之外的别的物件,例如宇宙射线。即便是现阶段最强劲的粒子对撞机,也达不上当然造成并发送宇宙射线的动能(假如估算精确得话,大家乃至没法贴近这种动能的十亿分之一)。时时刻刻,都是有很多来源于外星球的较高能亚原子粒子咆哮着进到地球上的地球大气层,碰撞汽体分子结构,并在抵达路面以前释放出来很多的粒子副产品。

宇宙射线来自于宇宙空间中动能最強的一些源(例如超新星),但大家对他们的掌握还很比较有限。物理学家们已经想象一种真实能够运用的设备——宇宙射线枪。我们可以在别的地区生产制造出这种较高能粒子,随后将他们发送到地球上的地球大气层中,那样就可以开展科学研究。将这一设备放到月球如何?根据在月球上造成很多的较高能粒子,再将他们射向大气圈,能够使我们在路面上观查从而造成的效用,进而尽快掌握宇宙空间的较高能一面。

可是,为何要停步在此呢?为什么不将探测仪也放到月球上?在月球上设定一个详细的粒子物理实验,包含发送源、网络加速器和探测仪等,都比地球上的类似系统软件更有优点。在地球上,物理学家遭遇的主要短板便是如何获得高宽比操纵的真空泵,地球上的试验也因而越来越相对性紧凑型。但在月球上,你能完全免费得到 真空泵。这类真空泵比在粒子对撞机试验中应用的真空泵实际效果更强。物理学家能够将实验仪器基本建设成要想的尺寸,而不必担心在打气泵上的项目投资。这是一个极大的优点。

自然,走上月球并在月球上修建繁杂的试验设备将会会碰到很大的技术性挑戰,但一旦这个问题获得处理,物理也许将迈入极大的提升。

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