什么是「高能粒子」，它是如何被发现的，目前有何用途？

2020-05-28科学

高能粒子是能量大于等于 100 兆电子伏特 ^[1] 的原子或亚原子粒子 ^[2] 。它们兼具粒子性与波动性。

人类首次科学地观测并记录下来的高能粒子是宇宙射线 ^[3] 。不久，人类掌握了用粒子加速器制造高能粒子的方法。

1912 年，奥地利物理学家 Victor Franz Hess 以 Wulf 静电计发现了宇宙射线 ^[4] 。

1929 年到 1930 年，美国物理学家 Ernest Orlando Lawrence 发明了回旋加速器。

1944 年，Vladimir Veksler 提出同步加速器。1945 年，Edwin McMillan 独立地发明了同步加速器。

高能粒子可以让人感受到光点，不排除有人在知道宇宙射线存在前「看见」过高能粒子。

高能粒子的用途包括而不限于作为科学研究对象和/或科学研究工具的组成部分（研究原子和亚原子粒子、研究发射粒子的遥远天体、研究被粒子穿透的天体·地球大气·海洋·地层、发现新元素、制造新材料、进行精细加工、确定分子结构、检验物质成分等）、生产医用同位素、进行放射摄影·放射检查·放射治疗、生产特殊材料或零件、引发核反应或核爆炸、充当定向能武器、推动物体。

历史上记录到的超越 GZK 极限的超高能量宇宙射线（例如这问题下的离题回答谈论的「Oh-My-God 粒子」与「天照粒子」）可能是 重原子核 ^[5] ，组成该原子核的质子、中子并未单独达到 GZK 极限，因此不会与背景辐射光子互动产生 π 介子——这是对 GZK 佯谬的 最简单解释 ，可能是事实。

参考

^ 约 1.6021774232052329e-11 焦耳
^ https://www.collinsdictionary.com/dictionary/english/high-energy-particle
^ 宇宙射线的能量分布在约 300 兆电子伏特（约 4.8e-11 焦耳）处达到峰值。
^ 1911 年到 1913 年，Hess 乘坐氢气球多次飞到海拔 1000 到 5300 米处，以 Wulf 静电计检测辐射强度，发现海拔 1000 米处的辐射强度较低但继续上升时辐射强度上升，海拔 5000 米处的辐射强度约为海平面的 2 倍。这证明大气辐射并不像历史上认为的那样来自地球上的岩石，在夜间和日食期间测定的数据亦可排除这些辐射来自太阳。Hess 的结论是，有一些穿透力非常强的辐射从太空射向地球。 1932 年，Carl David Anderson 以威尔逊云室在宇宙射线中检测到质量与电子基本相同、电荷与电子相反的粒子，认为这是狄拉克预言的、赵忠尧于 1930 年实验观测到的正电子；1936 年，Anderson 与研究生 Seth Neddermeyer 在宇宙射线里发现了 μ 子。 1936 年，Hess 与 Anderson 获得诺贝尔物理学奖。 arXiv:1808.02927 [physics.hist-ph]
^ 地球大气层外的初级宇宙射线约 99% 是原子核，约 1% 是孤立电子；这些原子核中约 90% 是质子（氢原子核），约 9% 是 α 粒子（氦原子核），约 1% 是比氦更重的碳、铁等元素的原子核。初级宇宙射线在地球大气中散射产生的次级宇宙射线主要是电子、光子、μ 子。