加速器：打開微觀世界大門的鑰匙

王貞虎

人們研究物質內部結構的主要方法是用一些高速運動的粒子作為“炮彈”去轟擊被研究的物質，通過對相互作用過程的探測和分析來揭露它們的內部結構、性質及特點?？梢哉f，人類認識微觀世界的歷史，就是實驗手段發(fā)展的歷史，加速器則是一種十分重要的研究工具。

美國密執(zhí)安州立大學以亨利·佑盧塞為首的物理學家們利用超導回旋加速器成功地把“粒子炮彈”加速到光速的二分之一，他們認為，這一進展也許不久就能提供有關原子結構甚至某些星體構造的新信息。

據了解，回旋加速器是在一個扁平、中空的圓形真空盒內，有兩個背靠背的D形盒，作為頻率達幾百萬赫茲的高頻電源的電極。在兩個D形盒之間留有一條很狹的縫隙，接通高頻電源，狹縫中形成一個交變電場。而真空盒則放在巨大的電磁鐵兩極之間的強大磁場中，該磁場的方向垂直于D形盒的底面。作為“粒子炮彈”用的重原子的核子從真空盒中心的離子源發(fā)射出來，在狹縫處被電場力加速，進入一個D形盒，盒內由于電屏蔽效應，電場很弱，粒子受到強大磁場的作用作圓周回旋運動，在完成半周運動后回到狹縫時，兩個D形盒上的極性正好變換，于是粒子再次受到加速進入另一個D形盒。由于粒子經過兩次加速，速率有了提高，所以圓周運動的軌道半徑也增大。這樣經過數十次往復循環(huán)，隨著粒子速度和能量的增大，軌道半徑也越來越大，因而粒子是作螺旋運動；直到最后旋到D形盒的邊緣，在那里用一個偏折電極將高速粒子引出，使之進入一個60余米長的真空管道，最終速率可近每秒十萬公里。在真空管道的另一端是容有少量碳、鋅、金或其他元素的云室。當這些元索的原子靶核受到粒子炮彈的撞擊后，就會產生新的粒子“碎片”，通過對這些“碎片”的研究測定，就能了解該靶核的結構。這就好象先用炮彈把房子炸碎，再通過其碎片來了解房子是用什么材料建造的一樣。

這些被改進的回旋加速器的磁體則是在一268℃的低溫下工作，其線圈處于超導狀態(tài)，電阻極小，能獲得極大的電流，以產生更強的磁場。又由于增加了第三個D形盒。進一步增強了對彈核的作用力，使得粒子炮彈的最終速率達到每秒十六萬公里，這已經越過了二分之一光速。

然而用這樣的高速彈核來撞擊靶核，并沒有使靶核分解。甚至由于彈核擊中靶核的速度是如此之快，以致于靶核物質還來不及以任何形式裂散就已經被壓縮了。彈核就像穿過空氣的子彈一樣，產生了強烈的沖擊波，這沖擊波摧毀了靶核原來的結構。本來原子核在原子中也僅占據極其微小的一個空間，原子中大部分的空間卻是空空如也的，在高速彈核的打擊下，原子內部的空間卻被大大地壓縮，使靶原子經歷了一個塌縮過程。

科學家們認為，利用這種現象將是十分有意義的。如果能夠充分地壓縮靶核物質，就可能產生高密度的物質。這樣，我們就可以模擬中子星內部的狀態(tài)。我們知道，在中子星內部壓力大得連原子也被壓碎，并使其中的電子與質子結合生成中子物質。倘若再進一步壓縮，中子物質就可能會被壓縮成密度更高的夸克物質。

科學家相信，新的回旋加速器也許能夠產生類中子物質，并最終會產生夸克物質。這項工作的實際意義是明顯的，雖然有各種證據證明宇宙中有中子星高等密度星體的存在，但我們還無法攝取自然界中的中子超重物質。如果我們能在實驗室產生中子物質乃致夸克物質的話，那就可以模擬高密度的星體，以便更好地進行研究，這無疑會獲取大量有關超重物質的信息，人類對物質的認識將會大大加深。（編輯/起點）