什麽是「高能粒子」，它是如何被發現的，目前有何用途？

2020-05-28科學

高能粒子是能量大於等於 100 兆電子伏特 ^[1] 的原子或亞原子粒子 ^[2] 。它們兼具粒子性與波動性。

人類首次科學地觀測並記錄下來的高能粒子是宇宙射線 ^[3] 。不久，人類掌握了用粒子加速器制造高能粒子的方法。

1912 年，奧地利物理學家 Victor Franz Hess 以 Wulf 靜電計發現了宇宙射線 ^[4] 。

1929 年到 1930 年，美國物理學家 Ernest Orlando Lawrence 發明了回旋加速器。

1944 年，Vladimir Veksler 提出同步加速器。1945 年，Edwin McMillan 獨立地發明了同步加速器。

高能粒子可以讓人感受到光點，不排除有人在知道宇宙射線存在前「看見」過高能粒子。

高能粒子的用途包括而不限於作為科學研究物件和/或科學研究工具的組成部份（研究原子和亞原子粒子、研究發射粒子的遙遠天體、研究被粒子穿透的天體·地球大氣·海洋·地層、發現新元素、制造新材料、進行精細加工、確定分子結構、檢驗物質成分等）、生產醫用同位素、進行放射攝影·放射檢查·放射治療、生產特殊材料或零件、引發核反應或核爆炸、充當定向能武器、推動物體。

歷史上記錄到的超越 GZK 極限的超高能量宇宙射線（例如這問題下的離題回答談論的「Oh-My-God 粒子」與「天照粒子」）可能是 重原子核 ^[5] ，組成該原子核的質子、中子並未單獨達到 GZK 極限，因此不會與背景輻射光子互動產生 π 介子——這是對 GZK 佯謬的 最簡單解釋 ，可能是事實。

參考

^ 約 1.6021774232052329e-11 焦耳
^ https://www.collinsdictionary.com/dictionary/english/high-energy-particle
^ 宇宙射線的能量分布在約 300 兆電子伏特（約 4.8e-11 焦耳）處達到峰值。
^ 1911 年到 1913 年，Hess 乘坐氫氣球多次飛到海拔 1000 到 5300 米處，以 Wulf 靜電計檢測輻射強度，發現海拔 1000 米處的輻射強度較低但繼續上升時輻射強度上升，海拔 5000 米處的輻射強度約為海平面的 2 倍。這證明大氣輻射並不像歷史上認為的那樣來自地球上的巖石，在夜間和日食期間測定的數據亦可排除這些輻射來自太陽。Hess 的結論是，有一些穿透力非常強的輻射從太空射向地球。 1932 年，Carl David Anderson 以韋遜雲室在宇宙射線中檢測到質素與電子基本相同、電荷與電子相反的粒子，認為這是狄拉克預言的、趙忠堯於 1930 年實驗觀測到的正電子；1936 年，Anderson 與研究生 Seth Neddermeyer 在宇宙射線裏發現了 μ 子。 1936 年，Hess 與 Anderson 獲得諾貝爾物理學獎。 arXiv:1808.02927 [physics.hist-ph]
^ 地球大氣層外的初級宇宙射線約 99% 是原子核，約 1% 是孤立電子；這些原子核中約 90% 是質子（氫原子核），約 9% 是 α 粒子（氦原子核），約 1% 是比氦更重的碳、鐵等元素的原子核。初級宇宙射線在地球大氣中散射產生的次級宇宙射線主要是電子、光子、μ 子。