3D打印如何幫助CERN科學家升級世界上最大的粒子加速器

來源：中國核技術網

為大型強子對撞機制造微小，高度復雜的組件絕非易事。CERN的科學家找到了3D打印的解決方案。

在過去的五年中，安東尼奧·佩萊格里諾(Antonio Pellegrino)一直在從事高壓工作：科學家正在領導對功能最強大的粒子加速器進行升級，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。

通常被稱為大型強子對撞機(LHC)，該加速器是一個27公里長的環(huán)，其中質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–加速器內裝有各種高精度探測器，所有這些都可供現(xiàn)代科學家觀察。

大型強子對撞機在2015年被暫停，以供工程師和醫(yī)生尋找提高加速器探測器精度的方法。最終目標?不僅要了解問題，而且要對宇宙的起源有更好的見識。

為此，佩萊格里諾(Pellegrino)求助于一項目前用于設計從食品，時尚到人體細胞的產品的技術：3D打印。由于與技術公司3D Systems的合作，LHC的某些部分已經從3D打印機中脫穎而出，作為加速器探測器冷卻系統(tǒng)設計的一部分。至關重要的是，3D打印零件可以滿足薄型組件的嚴格要求，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：“問題的有趣組合導致我們進行3D打印?！?“我們花了兩年的時間試圖制造出滿足我們要求的原型，才意識到它太費力了，而且再現(xiàn)性不夠。那時候我們開始考慮也許3D打印可能是我們的選擇。”

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

佩萊格里諾(Pellegrino)的工作專注于特定類型的LHC檢測器，該檢測器用于一項名為大型強子對撞機美女(LHCb)實驗的研究。這項研究著眼于一種叫做美夸克的粒子，以了解物質與其神秘的對應物反物質之間的區(qū)別。反物質是在宇宙原始時期與粒子并存的反粒子，如今這種反粒子嚴格地在專家的范圍內產生實驗室。

“物質和反物質在平等的基礎上開始，但是今天，我們只有一種類型。那么另一種類型又去了哪里呢?” 問佩萊格里諾。

為了確切地回答這個問題，大型強子對撞機產生了數(shù)十億個美容夸克粒子，以及與之相當?shù)谋环Q為反美夸克的反物質，它們在大爆炸之后都是很常見的。簡而言之，LHCb檢測器的作用包括記錄有趣的粒子編排，這些編排是在產生美麗和反美夸克并隨后在LHC內部衰減時發(fā)生的。

夸克是不穩(wěn)定的且壽命短：在眨眼之間，它們會分解成其他顆粒。觀察這一過程可以為科學家提供線索，說明為什么物質似乎戰(zhàn)勝了反物質，并且從長遠來看，可以更好地理解宇宙的創(chuàng)造。

佩萊格里諾說：“物質和反物質的行為之間的差異很小，要觀察它，就需要越來越好的儀器。” “為此，我們希望構建一個更好的檢測器。您可以將其視為一張照片-您希望看到越來越清晰的圖像。這就是它的意義。這就是為什么我們要進行如此巨大的技術升級。”