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为什么物理学家要把雪貂放入粒子加速器中?

2019-04-03  左耳刀坊

1971年2月,费米国家加速器实验室的物理学家开始测试当时世界上最强大的粒子加速器:一个环形的2000亿电子伏特质子同步加速器。时任费米实验室主任的Bob Wilson表示,他可以在五年内用2.5亿美元让它运行起来。但四年过去了,这台粒子加速器还没有投入使用,他们遇到了一个令人困惑的问题——对加速器运行至关重要的磁体不断失效。

为解决这一高科技难题,物理学家提出了一个低技术含量的解决方案,他们找来了一只名叫费利西亚(Felicia)的雪貂。那么,为什么雪貂会成为拯救粒子加速器的关键呢?

在费米实验室的加速器中,主环周长为6公里,它配备了磁体,可以引导粒子束通过加速器。磁体包含774个偶极磁体(用于控制粒子束)以及240个四极磁体(用于聚焦粒子束)。

每块磁体都非常庞大,长度可达6米,重近13吨。起初,当线圈周围的玻璃纤维绝缘材料破裂时,只有两块磁体失效。不久后,失效的磁体越来越多。在接下来的几个月里,研究小组更换了350块磁体。

在1971年6月30日,物理学家第一次成功地发射了一束粒子绕着主环飞行。到了当年8月,成功次数已经达到1万次。但接下来,物理学家试图把这些粒子加速到70亿电子伏特以上时,磁体却短路了。

物理学家终于意识到原因,金属片在进入真空管时有部分残留。当磁体被激发到更高的磁场时,金属片被拉进磁体间隙,它们会竖立起来挡住粒子束,因为它们是微磁性材料。

因此,物理学家需要把金属片取出来。但要怎么做呢?

为此,人们不得不寻找一种快捷并且廉价的清理方法。于是,有人想到了雪貂。作为一种喜爱穴居的动物,雪貂会毫不犹豫地钻进不锈钢管的内部。

很快,野生动物养殖场送来了一只名为费利西亚的雪貂,花费35美元。它的体长只有38厘米,这是野生动物养殖场养过最小的雪貂。

人们在费利西亚的脖子上围了一个特制的颈圈,用绳子绑住。然后,人们让这只雪貂拖着一块被清洁剂泡过的抹布进入粒子加速器中。就这样,雪貂在粒子加速器的主环中来回清理了数次。

与此同时,工程师制作了一根长达700米的专用清理工具。通过这样的反复操作,整个真空管得以被基本清理干净,尽管不是非常完美。

不过,清理之后的粒子加速器运行得很好,没有发生短路的情况。在接下来的几个月里,研究小组稳步提高了能量水平,并在1972年3月1日,使加速器达到了2000亿电子伏特的目标能量。

费利西亚在加速器的管道中跑了十几圈之后,就半退休了,大部分时间都在水貂养殖场当宠物。第二年春天的一个晚上费利西亚病倒了,第二天,人们带它去看了兽医。在医疗护理下,它短暂地恢复了健康。但几天后,费利西亚于1972年5月9日去世。尸检报告显示,费利西亚的肠道中有一个破裂的脓肿。

如今,费米实验室是世界著名的物理学研究中心之一,拥有多个粒子加速器。在粒子物理标准模型预言的数十种基本粒子中,其中有三种是在这个实验室中被发现:1977年发现的底夸克、1995年发现的顶夸克和2000年发现的τ中微子。

根据费米实验室的介绍,该实验室中的粒子加速器综合设施全年24小时运转,除了几个计划关闭的时间段。当加速器的管道需要清理时,对于较短的部分,物理学家会把一块抹布绑在一根长棍上,让它穿过管道。如果要清理很长的管道,他们就用著名的的“费利西亚方法”——把清洁布绑在绳子上,然后再慢慢穿过管道。

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