如何建造你自己的粒子探测器

在客厅里观察粒子飞驰而过

用于揭示亚原子粒子的机器的运行规模巨大。大型强子对撞机的探测器重达数千吨,包含数百万个传感器,能够记录接近光速的粒子运动。但它们不必如此复杂。事实上,有些机器小巧且简单到可以在客厅里运行。

以云室为例,它利用蒸发的酒精产生对穿过粒子极其敏感的蒸汽。DIY 版本是一个空鱼缸,顶部有浸满酒精的毛毡,底部是干冰。室温下的酒精在顶部蒸发到空气中,然后沉降到下方的冰上。随着温度降低,它会凝结在任何可以附着的东西上。

宇宙射线不断地从太空撞击地球,当它们撞击大气层时,会释放出一连串粒子。如果其中一个粒子穿过 DIY 云室,它会撞击构成空气的分子,并将其中一些电子撞掉。这会留下一个带电离子的轨迹,空气中的微小酒精液滴会附着在这些离子上。由此产生的幽灵般的轨迹标记了单个粒子穿过探测室的路径。

观看 DIY 云室的实际运行。然后自己动手做一个!

规格

时间: 20 分钟

价格 $70

难度 1/5

材质

  • 透明塑料或玻璃缸
  • 毛毡
  • 强力胶
  • 异丙醇,浓度 90% 或更高
  • 干冰
  • 用于盛放干冰的宽而浅的容器
  • 深色金属烤盘(比鱼缸开口大)
  • 手电筒

工具

  • 剪刀
  • 乳胶或丁腈手套
  • 隔热手套
  • 安全眼镜

说明

  1. 将毛毡裁剪成与鱼缸底部大小一致,并将其粘贴在底部(通常用来放置沙子和假宝箱的地方)。
  2. 戴上安全眼镜和手套,在鱼缸中倒入足够的异丙醇以浸湿毛毡。倒掉多余的液体。
  3. 戴上烤箱手套,将干冰放入浅容器中。用烤盘盖住。
  4. 将鱼缸倒扣在烤盘上,使覆盖有毛毡的底部朝上。您可以使用额外的毛毡来堵住鱼缸和烤盘之间的缝隙。现在取下眼镜和手套(但在拆卸云室时请重新戴上)。
  5. 等待约 10 分钟,让酒精蒸汽充满鱼缸。然后关闭所有灯光,用手电筒照入鱼缸。
  6. 如果您看到一条看起来像迷失在异国他乡的游客路径的轨迹,那么您看到的是电子或正电子(电子的反物质对应物)。这些轻粒子在撞击空气分子时会四处弹跳,留下锯齿形和卷曲的轨迹。
  7. 当一个大气氡原子喷射出一个体积大、能量低的 α 粒子(两个质子和两个中子的聚集体)时,会出现一条短而粗的轨迹。氡是一种天然存在的放射性元素,但其在空气中的浓度非常低,以至于其在空气中的含量比花生酱的放射性还要低。
  8. 一条长而直的轨迹表明您很可能看到了 μ 子,它是电子的较重亲属。μ 子是在宇宙射线撞击高层大气中的分子时产生的。由于它们非常重,μ 子会“砸”开空气,留下清晰的线条。
  9. 如果轨迹突然分叉,恭喜您!您刚刚看到了粒子衰变。许多粒子是不稳定的,会转变成更稳定的粒子。您正在目睹物理学在起作用。

警告:处理异丙醇时请戴安全眼镜和手套,抓取干冰时请戴护目镜和烤箱手套。

本文刊载于 2015 年 6 月的《大众科学》杂志,标题为“动手制作您自己的粒子探测器”。它是从《Symmetry Magazine》的一篇文章改编而来。

 

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