3D打印如何幫助CERN科學(xué)家升級(jí)世界上最大的粒子加速器

來(lái)源：中國(guó)核技術(shù)網(wǎng)

為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)制造微小，高度復(fù)雜的組件絕非易事。CERN的科學(xué)家找到了3D打印的解決方案。

在過(guò)去的五年中，安東尼奧·佩萊格里諾(Antonio Pellegrino)一直在從事高壓工作：科學(xué)家正在領(lǐng)導(dǎo)對(duì)功能最強(qiáng)大的粒子加速器進(jìn)行升級(jí)，該粒子加速器位于法瑞邊界歐洲核子研究組織（CERN）的下方一百米。

通常被稱為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)，該加速器是一個(gè)27公里長(zhǎng)的環(huán)，其中質(zhì)子和電子等粒子彼此高速投射，重現(xiàn)了十分之一秒的存在條件。大爆炸之后–加速器內(nèi)裝有各種高精度探測(cè)器，所有這些都可供現(xiàn)代科學(xué)家觀察。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在2015年被暫停，以供工程師和醫(yī)生尋找提高加速器探測(cè)器精度的方法。最終目標(biāo)?不僅要了解問(wèn)題，而且要對(duì)宇宙的起源有更好的見(jiàn)識(shí)。

為此，佩萊格里諾(Pellegrino)求助于一項(xiàng)目前用于設(shè)計(jì)從食品，時(shí)尚到人體細(xì)胞的產(chǎn)品的技術(shù)：3D打印。由于與技術(shù)公司3D Systems的合作，LHC的某些部分已經(jīng)從3D打印機(jī)中脫穎而出，作為加速器探測(cè)器冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分。至關(guān)重要的是，3D打印零件可以滿足薄型組件的嚴(yán)格要求，而又不影響回彈力-這是傳統(tǒng)手工工藝幾乎不可能滿足的條件。

Pellegrino告訴記者：“問(wèn)題的有趣組合導(dǎo)致我們進(jìn)行3D打印�！� “我們花了兩年的時(shí)間試圖制造出滿足我們要求的原型，才意識(shí)到它太費(fèi)力了，而且再現(xiàn)性不夠。那時(shí)候我們開(kāi)始考慮也許3D打印可能是我們的選擇�！�

通過(guò)選擇，3D打印成為解決方案。3D Systems的打印機(jī)成功用于生產(chǎn)極輕的鈦棒，其寬度為1.6毫米，壁厚為0.1毫米。這些條將安裝在檢測(cè)器上，并將用于將系統(tǒng)冷卻至-40°C，以確保結(jié)果不會(huì)因熱干擾而改變。

佩萊格里諾(Pellegrino)的工作專(zhuān)注于特定類(lèi)型的LHC檢測(cè)器，該檢測(cè)器用于一項(xiàng)名為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)美女(LHCb)實(shí)驗(yàn)的研究。這項(xiàng)研究著眼于一種叫做美夸克的粒子，以了解物質(zhì)與其神秘的對(duì)應(yīng)物反物質(zhì)之間的區(qū)別。反物質(zhì)是在宇宙原始時(shí)期與粒子并存的反粒子，如今這種反粒子嚴(yán)格地在專(zhuān)家的范圍內(nèi)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)室。

“物質(zhì)和反物質(zhì)在平等的基礎(chǔ)上開(kāi)始，但是今天，我們只有一種類(lèi)型。那么另一種類(lèi)型又去了哪里呢?” 問(wèn)佩萊格里諾。

為了確切地回答這個(gè)問(wèn)題，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生了數(shù)十億個(gè)美容夸克粒子，以及與之相當(dāng)?shù)谋环Q為反美夸克的反物質(zhì)，它們?cè)诖蟊�炸之后都是很常�?jiàn)的。簡(jiǎn)而言之，LHCb檢測(cè)器的作用包括記錄有趣的粒子編排，這些編排是在產(chǎn)生美麗和反美夸克并隨后在LHC內(nèi)部衰減時(shí)發(fā)生的。

夸克是不穩(wěn)定的且壽命短：在眨眼之間，它們會(huì)分解成其他顆粒。觀察這一過(guò)程可以為科學(xué)家提供線索，說(shuō)明為什么物質(zhì)似乎戰(zhàn)勝了反物質(zhì)，并且從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，可以更好地理解宇宙的創(chuàng)造。

佩萊格里諾說(shuō)：“物質(zhì)和反物質(zhì)的行為之間的差異很小，要觀察它，就需要越來(lái)越好的儀器�！� “為此，我們希望構(gòu)建一個(gè)更好的檢測(cè)器。您可以將其視為一張照片-您希望看到越來(lái)越清晰的圖像。這就是它的意義。這就是為什么我們要進(jìn)行如此巨大的技術(shù)升級(jí)。”