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為什么物理學(xué)家要把雪貂放入粒子加速器中?

 火星科普 2020-04-01

1971年2月,費米國家加速器實驗室的物理學(xué)家開始測試當(dāng)時世界上最強大的粒子加速器:一個環(huán)形的2000億電子伏特質(zhì)子同步加速器。時任費米實驗室主任的Bob Wilson表示,他可以在五年內(nèi)用2.5億美元讓它運行起來。但四年過去了,這臺粒子加速器還沒有投入使用,他們遇到了一個令人困惑的問題——對加速器運行至關(guān)重要的磁體不斷失效。

為解決這一高科技難題,物理學(xué)家提出了一個低技術(shù)含量的解決方案,他們找來了一只名叫費利西亞(Felicia)的雪貂。那么,為什么雪貂會成為拯救粒子加速器的關(guān)鍵呢?

在費米實驗室的加速器中,主環(huán)周長為6公里,它配備了磁體,可以引導(dǎo)粒子束通過加速器。磁體包含774個偶極磁體(用于控制粒子束)以及240個四極磁體(用于聚焦粒子束)。

每塊磁體都非常龐大,長度可達6米,重近13噸。起初,當(dāng)線圈周圍的玻璃纖維絕緣材料破裂時,只有兩塊磁體失效。不久后,失效的磁體越來越多。在接下來的幾個月里,研究小組更換了350塊磁體。

在1971年6月30日,物理學(xué)家第一次成功地發(fā)射了一束粒子繞著主環(huán)飛行。到了當(dāng)年8月,成功次數(shù)已經(jīng)達到1萬次。但接下來,物理學(xué)家試圖把這些粒子加速到70億電子伏特以上時,磁體卻短路了。

物理學(xué)家終于意識到原因,金屬片在進入真空管時有部分殘留。當(dāng)磁體被激發(fā)到更高的磁場時,金屬片被拉進磁體間隙,它們會豎立起來擋住粒子束,因為它們是微磁性材料。

因此,物理學(xué)家需要把金屬片取出來。但要怎么做呢?

為此,人們不得不尋找一種快捷并且廉價的清理方法。于是,有人想到了雪貂。作為一種喜愛穴居的動物,雪貂會毫不猶豫地鉆進不銹鋼管的內(nèi)部。

很快,野生動物養(yǎng)殖場送來了一只名為費利西亞的雪貂,花費35美元。它的體長只有38厘米,這是野生動物養(yǎng)殖場養(yǎng)過最小的雪貂。

人們在費利西亞的脖子上圍了一個特制的頸圈,用繩子綁住。然后,人們讓這只雪貂拖著一塊被清潔劑泡過的抹布進入粒子加速器中。就這樣,雪貂在粒子加速器的主環(huán)中來回清理了數(shù)次。

與此同時,工程師制作了一根長達700米的專用清理工具。通過這樣的反復(fù)操作,整個真空管得以被基本清理干凈,盡管不是非常完美。

不過,清理之后的粒子加速器運行得很好,沒有發(fā)生短路的情況。在接下來的幾個月里,研究小組穩(wěn)步提高了能量水平,并在1972年3月1日,使加速器達到了2000億電子伏特的目標(biāo)能量。

費利西亞在加速器的管道中跑了十幾圈之后,就半退休了,大部分時間都在水貂養(yǎng)殖場當(dāng)寵物。第二年春天的一個晚上費利西亞病倒了,第二天,人們帶它去看了獸醫(yī)。在醫(yī)療護理下,它短暫地恢復(fù)了健康。但幾天后,費利西亞于1972年5月9日去世。尸檢報告顯示,費利西亞的腸道中有一個破裂的膿腫。

如今,費米實驗室是世界著名的物理學(xué)研究中心之一,擁有多個粒子加速器。在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的數(shù)十種基本粒子中,其中有三種是在這個實驗室中被發(fā)現(xiàn):1977年發(fā)現(xiàn)的底夸克、1995年發(fā)現(xiàn)的頂夸克和2000年發(fā)現(xiàn)的τ中微子。

根據(jù)費米實驗室的介紹,該實驗室中的粒子加速器綜合設(shè)施全年24小時運轉(zhuǎn),除了幾個計劃關(guān)閉的時間段。當(dāng)加速器的管道需要清理時,對于較短的部分,物理學(xué)家會把一塊抹布綁在一根長棍上,讓它穿過管道。如果要清理很長的管道,他們就用著名的的“費利西亞方法”——把清潔布綁在繩子上,然后再慢慢穿過管道。

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