粒子对撞机中接近光速的质子及电子脱离设备后在空气中能穿透多远？ 第1页

这个问题很有趣，相比于LHC真空束流管中的环境而言，空气属于相当致密的存在了。下面我回答下LHC的7TeV质子的情况。

其实这个问题，做宇宙射线研究的同学应该更好回答。地球接收到的宇宙射线中，有90%都是质子。研究宇宙射线的小伙伴，绝大部分时间都是在和质子打交道。

和超高能宇宙射线的能量比起来，LHC质子束的能量还是很小的。多小呢？下面这个图可以比较好说明这一点 (注意：横纵坐标都是指数坐标)。你没有看错，宇宙射线中的超高能粒子，其能量可达LHC质子能量的一亿倍。

然而与LHC中的真空环境不同，当高能宇宙射线进入大气层时，其高能粒子会与空气产生作用，发生簇射，产生大量的次级粒子。通过对这些大气簇射，所产生的次级粒子的研究，可以间接得出宇宙射线的成分。

针对大气簇射的情况，宇宙射线研究者们已经通过不断的研究和观测，得出了高能宇宙射线在进入大气层后的各种现象。我曾经有幸了解到一款名为CORSIKA的大气簇射模拟程序，可以较为精确地模拟宇宙射线入射大气层后的真实情况。我并没有上手用过，感兴趣的小伙伴可以去尝试下。下图为CORSIKA模拟的10TeV质子在大气层中的簇射现象（来源：CORSIKA官网）：

那7TeV的质子在地表大气中（标准大气压），能穿透多远呢？这个问题要看怎么理解：

1. 初级粒子(质子)本身走了多远？
2. 其产生的次级粒子走了多远？

高能质子与空气中的原子发生相互作用，会损失大量的能量。感谢从事宇宙射线研究的小伙伴们的努力，得以让我们可以了解到，质子在TeV能量区间中，与空气的作用截面为几何。

有了这一类的，与反应截面相关的数据，我们就可以通过蒙特卡洛模拟，来推测出7TeV的质子，在空气中会是怎样的一种情况。

下图是当年我用Geant4做的两百多MeV质子束，射入水中的情况。谢天谢地，程序没被我删掉，版本也还能跑。

那就粗略模拟下7TeV质子在空气中的情况好了：

1. 把水柱换成空气柱
2. 空气柱尺寸设置为80公里，大致为地表到中间层的高度
3. 空气的气压都为一个标准大气压
4. 设置好低能到TeV区间的物理过程，这里就需要上面与反应截面有关的数据了。

运行一下，果不其然，TeV级别的质子，确实在空气中发生了簇射。模拟两百次后，得到初始粒子 (质子) 的深度，也就是发生非弹性碰撞后“停止运动”的位置，做出柱形图如下所示：

200次模拟中，7TeV的质子在几公里内就消耗掉了所有动能。下图为能量沉积在ZX平面的投影 (Z为质子初始时的运动方向)，可以看到，入射空气柱后的10公里内，沉积了大部分的能量：

由上面的模拟结果可知，贝吉塔的冲击波应该是质子束（大雾）：

由模拟结果可知：

1. 7TeV的质子本身“穿透力”不足以穿透80公里空气柱，几公里内就消耗掉了所有能量。
2. 绝大部分能量沉积，在质子入射空气后十公里的范围内。
3. 由能量沉积显示，部分次级粒子可以“穿透”80公里的空气柱。

所以说：

1. 大气层不愧为人类的护盾！
2. 如果是想要用7TeV质子束做能量武器的话，在地表上其远程杀伤的效率应该是低得可怕，还是安心打意大利炮吧。。。

PS：用Geant4模拟的结果较为粗略，空气柱内填充的都是地表附近的空气状态，如果有从事宇宙射线研究的小伙伴，想必可以通过CORSIKA更为精确地给出TeV级别的质子束在大气层中的情况。