FHSST 物理學/碰撞與爆炸/微小而猛烈的碰撞
論文 2：微小而猛烈的碰撞
作者：托馬斯·D·古鐵雷斯
湯姆·古鐵雷斯在加利福尼亞州聖何塞的聖何塞州立大學獲得了物理學學士和碩士學位。作為碩士生，他幫助在 NASA 艾姆斯研究中心工作，研究雷射光譜儀。該儀器測量了CO2氣體中不同碳同位素的比例，可用於醫療診斷和太空探索等多種應用。後來，他在加州大學戴維斯分校獲得了物理學博士學位，在那裡他計算了高能物理碰撞中各種反應。他現在住在加利福尼亞州伯克利，研究紐約長島布魯克海文國家實驗室 STAR 實驗中觀察到的質子-質子碰撞。
想象一個橙子，把它放大到地球的大小。地球大小的橙子的原子本身大約有普通橙子那麼大，會充滿整個地球大小的橙子。現在，取一個原子，把它放大到足球場的大小。這個原子的原子核大約只有球場中央的一顆小種子那麼大。從這個類比中可以看出，原子核對於人類來說是非常小的物體。它們的直徑大約為 10−15 米，比一個典型的原子小十萬倍。這些原子核無法用肉眼或顯微鏡等任何傳統方法觀察或研究。那麼科學家如何研究原子核等非常小的物體的結構呢？
最簡單的原子核是氫原子核，被稱為質子。由於無法分離單個質子，開啟它並直接檢查內部，科學家必須訴諸於一種蠻力和間接的探索方法：高能碰撞。透過以非常高的能量使質子與其他粒子（例如其他質子或電子）發生碰撞，人們希望瞭解它們的組成和工作原理。美國物理學家理查德·費曼曾經將這個過程比作將精密的鐘表撞在一起，並透過檢查破碎的碎片來弄清楚它們的運作原理。雖然這個類比可能看起來悲觀，但只要有足夠的數學模型和實驗精度，就可以從這些高能亞原子碰撞的碎片中提取大量資訊。人們可以瞭解起作用的力的性質，以及這些系統的子結構。
這些實驗屬於高能物理學（也稱為亞原子物理學）的範疇。這些實驗中主要的科學探索工具是兩個非常非常小的亞原子物體（如原子核）之間發生的極其猛烈的碰撞。一般來說，碰撞的能量越高，你就能分辨出原始系統的細節就越多。這些實驗在歐洲核子研究組織（CERN）、斯坦福直線加速器中心（SLAC）、布魯克海文國家實驗室（BNL）和費米實驗室等實驗室進行，這只是一些例子。進行碰撞的巨型機器大約有城鎮那麼大。例如，BNL 的 RHIC 對撞機是一個直徑約 1 公里的環，從太空中可以觀察到它。目前正在建造的最新機器，CERN 的 LHC，是一個直徑 9 公里的環！
讓我們詳細研究一下這種碰撞的運動學...