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？
粒子对撞机里那些飞得比光还快的质子和电子，一旦从设备里放出来，在咱们这寻常空气里，它们能穿透多远呢？这事儿说起来可就有点意思了，远不像你想的那么简单，更不是什么“一飞冲天”就能解决的事儿。
首先得明白，这些粒子可不是咱们平时说的子弹或者光线。它们是极其微小的，而且被加速到了难以想象的速度，它们的动能简直是天文数字。我们常说的“接近光速”可不是闹着玩的，这意味着它们的质量会因为相对论效应变得异常巨大，惯性也大得惊人。
那么，当这些“超级粒子”冲进空气，会发生什么呢？空气虽然看起来稀薄，但对它们来说，却是一个充满“障碍”的世界。空气是由无数的氮气、氧气分子，还有其他一些杂质组成的。这些粒子一旦进入空气，立刻就会和这些空气分子发生一系列的“亲密接触”。
碰撞与相互作用：
想象一下，一个以接近光速飞行的质子，就像一个能量炸弹，撞上了一个静止的空气分子。这可不是简单的碰一下就弹开，而是会引发一连串复杂得多的反应：
电磁相互作用： 质子带正电，空气分子中的电子和原子核也都带有电荷。当质子高速飞过时，它强大的电场会极大地扰动空气分子中的电子，甚至可能将电子从原子中“拽”出来，形成电离。电子也一样，它们强大的负电场会影响空气中的原子核，产生类似的效应。
弹性碰撞： 粒子和空气分子也可能发生类似台球碰撞的弹性碰撞。在这种碰撞中，粒子的动量和能量会转移给空气分子，使其加速或改变方向。
非弹性碰撞和粒子产生： 这是最关键的部分。当粒子能量足够高时，它们与空气分子碰撞，产生的不是简单的反弹，而是会“碎裂”空气分子，甚至“创造”出新的粒子。这些新粒子可能包括更小的基本粒子，比如光子（高中时候的“光”），π介子，K介子等等。这些新产生的粒子本身又带着极高的能量，它们会继续在空气中传播，并引发更多的碰撞。
能量的损失与衰减：
每一次碰撞，无论是什么性质的，都会导致那个高速粒子损失一部分能量。能量不断地被“分摊”到产生的次级粒子和被激发的空气分子上。随着能量的损失，粒子的速度也会逐渐减慢（尽管最初的速度极高，减慢是相对的），并且它的“穿透力”也会下降。
衰减和寿命：
特别是对于一些不稳定的基本粒子，比如μ子，它们在产生后会非常迅速地衰变成其他粒子。质子本身是稳定的，但它传递能量的过程会产生一系列衰变的粒子。
穿透距离的估算：
所以，要说一个粒子能穿透多远，这取决于几个关键因素：
1. 初始能量： 粒子在对撞机里被加速到的能量有多高，决定了它能引发多剧烈的碰撞，以及它能产生多少“次级打击”。能量越高，能引发的连锁反应就越多，但同时它自身能量损失也可能越快。
2. 空气密度： 尽管我们说的是“空气”，但空气的密度会随海拔、温度、压强等因素变化。密度越高，粒子遇到的“障碍”就越多，穿透距离就越短。
3. 粒子的种类： 质子和电子在空气中的相互作用方式略有不同。质子带正电，更倾向于与电子相互作用；电子带负电，更倾向于与原子核相互作用。但总体来说，都会发生电磁相互作用和碰撞。
结论：
那么，到底能穿透多远呢？
实际上，这些接近光速的质子和电子，一旦进入相对密实的空气（比如海平面附近的空气），它们的“旅程”会非常短暂，而且极为“壮观”。它们不会像子弹一样直线穿透很远。
距离极短： 它们可能在几厘米到几米的范围内，就会发生能量损耗和转化。它们会产生一系列的次级粒子，形成一个“粒子瀑布”。
能量转移： 它们的主要作用是将其巨大的能量转移给空气，使空气中的分子被电离、激发，产生可见的光（比如粒子探测器中看到的辉光），或者产生大量的次级粒子。
探测器作用： 粒子对撞机之所以强大，是因为它能产生这些高能粒子，然后用极其精密的探测器来“捕捉”这些粒子以及它们在空气（或探测器内部的特殊介质）中留下的“踪迹”。这些踪迹就像是一个个“指纹”，记录了粒子的能量、方向、性质以及发生的相互作用。
所以，我们不是看这些粒子能“穿透”多远，而是看它们“如何”与空气相互作用，以及它们在相互作用中“产生”了什么。它们的实际“穿透”距离，从我们肉眼可见的意义上来说，是非常非常短的。它们更像是在空气中“爆炸”了一下，把能量和信息传递给了周围的一切。
这有点像往平静的湖面扔一块巨石，你看到的不是石头穿透湖水游到对面，而是无数的水花、涟漪，以及石头本身被无数水分子裹挟、撞击、最终沉入湖底的过程。只不过，这块“巨石”是基本粒子，而“湖水”是空气分子。
首先得明白，这些粒子可不是咱们平时说的子弹或者光线。它们是极其微小的，而且被加速到了难以想象的速度，它们的动能简直是天文数字。我们常说的“接近光速”可不是闹着玩的，这意味着它们的质量会因为相对论效应变得异常巨大，惯性也大得惊人。
那么，当这些“超级粒子”冲进空气，会发生什么呢？空气虽然看起来稀薄，但对它们来说，却是一个充满“障碍”的世界。空气是由无数的氮气、氧气分子，还有其他一些杂质组成的。这些粒子一旦进入空气，立刻就会和这些空气分子发生一系列的“亲密接触”。
碰撞与相互作用：
想象一下，一个以接近光速飞行的质子，就像一个能量炸弹，撞上了一个静止的空气分子。这可不是简单的碰一下就弹开，而是会引发一连串复杂得多的反应：
电磁相互作用： 质子带正电，空气分子中的电子和原子核也都带有电荷。当质子高速飞过时，它强大的电场会极大地扰动空气分子中的电子，甚至可能将电子从原子中“拽”出来，形成电离。电子也一样，它们强大的负电场会影响空气中的原子核，产生类似的效应。
弹性碰撞： 粒子和空气分子也可能发生类似台球碰撞的弹性碰撞。在这种碰撞中，粒子的动量和能量会转移给空气分子，使其加速或改变方向。
非弹性碰撞和粒子产生： 这是最关键的部分。当粒子能量足够高时，它们与空气分子碰撞，产生的不是简单的反弹，而是会“碎裂”空气分子，甚至“创造”出新的粒子。这些新粒子可能包括更小的基本粒子，比如光子（高中时候的“光”），π介子，K介子等等。这些新产生的粒子本身又带着极高的能量，它们会继续在空气中传播，并引发更多的碰撞。
能量的损失与衰减：
每一次碰撞，无论是什么性质的，都会导致那个高速粒子损失一部分能量。能量不断地被“分摊”到产生的次级粒子和被激发的空气分子上。随着能量的损失，粒子的速度也会逐渐减慢（尽管最初的速度极高，减慢是相对的），并且它的“穿透力”也会下降。
衰减和寿命：
特别是对于一些不稳定的基本粒子，比如μ子，它们在产生后会非常迅速地衰变成其他粒子。质子本身是稳定的，但它传递能量的过程会产生一系列衰变的粒子。
穿透距离的估算：
所以，要说一个粒子能穿透多远，这取决于几个关键因素：
1. 初始能量： 粒子在对撞机里被加速到的能量有多高，决定了它能引发多剧烈的碰撞，以及它能产生多少“次级打击”。能量越高，能引发的连锁反应就越多，但同时它自身能量损失也可能越快。
2. 空气密度： 尽管我们说的是“空气”，但空气的密度会随海拔、温度、压强等因素变化。密度越高，粒子遇到的“障碍”就越多，穿透距离就越短。
3. 粒子的种类： 质子和电子在空气中的相互作用方式略有不同。质子带正电，更倾向于与电子相互作用；电子带负电，更倾向于与原子核相互作用。但总体来说，都会发生电磁相互作用和碰撞。
结论：
那么，到底能穿透多远呢？
实际上，这些接近光速的质子和电子，一旦进入相对密实的空气（比如海平面附近的空气），它们的“旅程”会非常短暂，而且极为“壮观”。它们不会像子弹一样直线穿透很远。
距离极短： 它们可能在几厘米到几米的范围内，就会发生能量损耗和转化。它们会产生一系列的次级粒子，形成一个“粒子瀑布”。
能量转移： 它们的主要作用是将其巨大的能量转移给空气，使空气中的分子被电离、激发，产生可见的光（比如粒子探测器中看到的辉光），或者产生大量的次级粒子。
探测器作用： 粒子对撞机之所以强大，是因为它能产生这些高能粒子，然后用极其精密的探测器来“捕捉”这些粒子以及它们在空气（或探测器内部的特殊介质）中留下的“踪迹”。这些踪迹就像是一个个“指纹”，记录了粒子的能量、方向、性质以及发生的相互作用。
所以，我们不是看这些粒子能“穿透”多远，而是看它们“如何”与空气相互作用，以及它们在相互作用中“产生”了什么。它们的实际“穿透”距离，从我们肉眼可见的意义上来说，是非常非常短的。它们更像是在空气中“爆炸”了一下，把能量和信息传递给了周围的一切。
这有点像往平静的湖面扔一块巨石，你看到的不是石头穿透湖水游到对面，而是无数的水花、涟漪，以及石头本身被无数水分子裹挟、撞击、最终沉入湖底的过程。只不过，这块“巨石”是基本粒子，而“湖水”是空气分子。
网友意见
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：
- 初级粒子(质子)本身走了多远？
- 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：
- 把水柱换成空气柱
- 空气柱尺寸设置为80公里，大致为地表到中间层的高度
- 空气的气压都为一个标准大气压
- 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：
- 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。
- 绝大部分能量沉积，在质子入射空气后十公里的范围内。
- 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：
- 大气层不愧为人类的护盾！
- 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。
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