加速吧——粒子們!

史金陽(yáng)

“隱約雷鳴，陰霾天空，但盼風(fēng)雨來(lái)，能留你在此?！薄度f(wàn)葉集》中的《雷神》一文隨著日本動(dòng)畫(huà)片《言葉之庭》的熱播逐步走紅，昕著影片中陣陣的雷聲，你是否思考過(guò)雷電是由什么組成的？科學(xué)的發(fā)展往往是從疑問(wèn)開(kāi)始的，18世紀(jì)，人們得益于富蘭克林的研究，開(kāi)始了解到雷電也是一種電流，和摩擦產(chǎn)生的電流別無(wú)二致?？茖W(xué)的發(fā)展，除了從疑問(wèn)開(kāi)始，有時(shí)也伴隨著偶然，有相當(dāng)一部分科學(xué)的進(jìn)步是因?yàn)橐淮未蔚呐既欢a(chǎn)生的。那么更進(jìn)一步，電流是由什么組成的？電流的本質(zhì)是什么？電流和本期要講的粒子加速器又有怎樣的聯(lián)系？就讓我們跟隨科學(xué)家的腳步，一起去探尋粒子加速器的奧秘。

用電子撬開(kāi)微觀世界的大門(mén)

18世紀(jì)末，人們困惑于原子激發(fā)出的陰極射線(xiàn)是一種波還是一種微粒，因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題關(guān)乎原子內(nèi)部是否有結(jié)構(gòu)。如果說(shuō)陰極射線(xiàn)是一種微粒，那么就說(shuō)明原子可以釋放出比它本身更微小的物質(zhì)，所以原子可能是由更微小的粒子構(gòu)成的，原子也將不再是最小的構(gòu)成物質(zhì)單位。劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的約瑟夫·約翰·湯姆森在研究陰極射線(xiàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于電場(chǎng)的作用，陰極射線(xiàn)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，之后他通過(guò)帶電粒子束彎曲的曲率計(jì)算出陰極射線(xiàn)粒子的質(zhì)量與電荷的比值，并將其定義為一種粒子，命名為電子。

電子的發(fā)現(xiàn)可以說(shuō)是微觀粒子研究的開(kāi)始，電子就像一把上帝遺留在人間用來(lái)打開(kāi)微觀世界奧秘的鑰匙，而他的發(fā)現(xiàn)，也打破了“原子是不可再分”的觀點(diǎn)。從某種意義上來(lái)說(shuō)，它解放了當(dāng)時(shí)物理學(xué)家們的思想，大家開(kāi)始認(rèn)真地思考原子內(nèi)部的問(wèn)題：既然原子里有比它還小的核外電子，那么原子是不是有它內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)？帶著這個(gè)問(wèn)題，許多物理學(xué)家開(kāi)始著手探索原子內(nèi)部的故事。這場(chǎng)不知終點(diǎn)或者說(shuō)不知道存不存在終點(diǎn)的探索開(kāi)始了。

向著未知領(lǐng)域的沖鋒

隨著禁錮已久的思想得到解放，原子物理的研究效率大大提高。電子被發(fā)現(xiàn)幾年后，考慮到原子本身不帶電，既然電子帶負(fù)電荷，那么原子的內(nèi)部必然有攜帶正電荷的單位將負(fù)電荷抵消從而使得整體呈現(xiàn)中性。受限于當(dāng)時(shí)的認(rèn)知，人們并不能清楚了解原子的準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)，湯姆森提出了類(lèi)似于棗糕的模型，帶負(fù)電荷的電子就像棗核一樣鑲嵌在帶正電荷的原子內(nèi)部。

不過(guò)湯姆森的這一模型還沒(méi)來(lái)得及聞名世界，就被他的學(xué)生盧瑟福打破了。1909年，歐內(nèi)斯特·盧瑟福使用金箔作為目標(biāo)靶，以天然放射源發(fā)出的α（alpha）粒子作為炮彈轟擊金箔（金箔相對(duì)于鋁箔延展性更好，并且金的原子量比較大，相應(yīng)散射效果比較好），他設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的初衷是驗(yàn)證棗糕模型的正確性。由于電子質(zhì)量極小，哪怕α粒子直接與電子發(fā)生碰撞也不會(huì)明顯改變a粒子的方向，并且正電荷均勻分布，對(duì)進(jìn)入其中的α粒子的電磁力作用也很小，所以他預(yù)期的是大多數(shù)的α粒子都可以徑直的穿過(guò)原子，從而驗(yàn)證原子的內(nèi)部只有像棗核一樣的電子。

然而，戲劇性的試驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)致了棗糕模型的崩塌。在實(shí)驗(yàn)中，他們確實(shí)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)α粒子直接穿透了金箔，但是也發(fā)現(xiàn)了極少數(shù)的α粒子發(fā)生了大角度的偏折甚至反射回來(lái)，這一發(fā)現(xiàn)說(shuō)明原子內(nèi)部可能存在一個(gè)實(shí)體的核心。1911年，盧瑟福想到這樣一個(gè)模型：原子核中間有一個(gè)小小的核心，外圍的遠(yuǎn)方圍繞著電子，入射的α粒子大概率直接穿越電子與核心之間的空隙，只有極少數(shù)的α粒子剛好運(yùn)動(dòng)到原子核附近時(shí)才能發(fā)生大角度的折射甚至反射，這樣的話(huà)，模型就能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合了。而這個(gè)模型一直沿用至今，被稱(chēng)作原子的核式模型?？茖W(xué)就是這樣，只有在不斷的試錯(cuò)中才能逐漸走向完善。

構(gòu)成原子的三兄弟——電子、質(zhì)子和中子

既然原子是可以繼續(xù)再分的，那么原子核呢？原子核內(nèi)部有沒(méi)有結(jié)構(gòu)？正如之前所說(shuō)的，科學(xué)發(fā)展開(kāi)始于對(duì)未知的好奇。1919年，盧瑟福使用α粒子轟擊氮原子核。所謂的轟擊，形象的來(lái)說(shuō)就像是一群人手拉手待在一起，然后從遠(yuǎn)處跑來(lái)一個(gè)人突然沖入人群，把其中一個(gè)或者幾個(gè)人撞了出去。

實(shí)驗(yàn)中，他發(fā)現(xiàn)有一種未知的粒子穿透了恰好能阻止α粒子出射的鋁箔，并在鋁箔后方的熒光屏上打出了亮點(diǎn)。他將這種粒子引入電場(chǎng)與磁場(chǎng)中，計(jì)算出了這種未知粒子的質(zhì)量與電荷，發(fā)現(xiàn)這種未知粒子的質(zhì)量與最輕的元素——?dú)湓氐脑淤|(zhì)量是一致的，并且這種粒子攜帶著正電荷，盧瑟福將這種新發(fā)現(xiàn)的粒子命名為質(zhì)子。

加上之前發(fā)現(xiàn)的攜帶負(fù)電荷的電子，這兩種粒子電荷相反，那么中性的原子是不是由質(zhì)子與電子直接組成的呢？在這樣的情況下，盧瑟福認(rèn)為應(yīng)當(dāng)是存在一種質(zhì)子與電子的復(fù)合體，這種復(fù)合體內(nèi)質(zhì)子與電子緊密結(jié)合從而使得整體呈現(xiàn)電中性，遺憾的是，這種復(fù)合體在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都未被盧瑟福找到。但其實(shí)這種粒子已經(jīng)存在于博特的實(shí)驗(yàn)與居里夫婦的實(shí)驗(yàn)中了，只不過(guò)他們那時(shí)錯(cuò)誤地認(rèn)為實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的不過(guò)是一種高能的光子，并未加以重視。機(jī)會(huì)總是留給有準(zhǔn)備的人，盧瑟福的學(xué)生查德威克看到了居里夫人的文章，他意識(shí)到那個(gè)粒子絕不可能是光子，隨即與盧瑟福進(jìn)行了討論，查德威克認(rèn)為這就是他們10年前就一直在尋找的那個(gè)中性粒子。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，查德威克確認(rèn)了這種中性粒子的存在，并將其命名為中子。至此，構(gòu)成原子的三種粒子就全都被發(fā)現(xiàn)了：電子、質(zhì)子、中子。

發(fā)展的必然——加速器

在電子、光子、質(zhì)子、中子這些相對(duì)能量較低的粒子被發(fā)現(xiàn)之后，原子核物理學(xué)的發(fā)展也逐漸完善起來(lái)，理論物理學(xué)家們從公式中推導(dǎo)出了更多未發(fā)現(xiàn)的粒子以及一些粒子的反粒子，即一種與現(xiàn)有粒子電荷相反的粒子，比如帶正電荷的電子以及帶負(fù)電荷的質(zhì)子等。但是驗(yàn)證這些粒子的存在變得十分困難，原本利用自然界中具有天然放射性的物質(zhì)所產(chǎn)生的α（alpha）或者β（beta）射線(xiàn)的能量已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)的條件。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是現(xiàn)在沖刺過(guò)來(lái)的那個(gè)人已經(jīng)沒(méi)有辦法撞開(kāi)抱緊在一起的人群了，所以無(wú)法再把單個(gè)的粒子從復(fù)合的體系中剝離出來(lái)。

既然如此，我們就需要尋找一些具有高能量的炮彈才行。科學(xué)家們開(kāi)始尋找一些更高能的粒子作為實(shí)驗(yàn)中的炮彈?？茖W(xué)家們首先注意到宇宙中的射線(xiàn)具有比天然放射源更高的能量，借此發(fā)現(xiàn)了攜帶正電荷的電子，即正電子。科學(xué)家們意識(shí)到一條非常常見(jiàn)的規(guī)律，那就是離子（帶電粒子的統(tǒng)稱(chēng)）在電場(chǎng)中會(huì)加速，在相同路徑下，電場(chǎng)越強(qiáng)，離子獲得的能量就越高，由此科學(xué)家們發(fā)明了直線(xiàn)加速器。更進(jìn)一步，離子在磁場(chǎng)中會(huì)轉(zhuǎn)彎，如果讓帶電粒子在電場(chǎng)中加速然后導(dǎo)入磁場(chǎng)中，我們就可以通過(guò)控制電場(chǎng)與磁場(chǎng)的強(qiáng)弱來(lái)控制離子的能量與方向了。之后再讓磁場(chǎng)將離子軌道彎曲成一個(gè)環(huán)形，那么離子將再次回到電場(chǎng)，重復(fù)被電場(chǎng)加速。根據(jù)這樣的構(gòu)想就有了最初的回旋加速器的設(shè)想。

知識(shí)鏈接

隨著科學(xué)的發(fā)展，加速器的需求基本分為兩類(lèi)，一類(lèi)是核物理方面的，加速器是研究核物理的重要工具，在核武器、放射醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域有著至關(guān)重要的作用。而在檢測(cè)領(lǐng)域，由于中子有良好的穿透性，常常被用于對(duì)一些大型精密器件的檢測(cè)中，比如高鐵的車(chē)軸、車(chē)輪以及一些衛(wèi)星部件等。中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域建設(shè)的加速器有蘭州重離子加速器（HIRFL）、廣東惠州強(qiáng)流重離子加速器裝置（HIAF）等。另一類(lèi)是高能粒子領(lǐng)域的，加速器產(chǎn)生的離子束流在受控條件下發(fā)生對(duì)撞，從而將一些更微小的粒子撞碎，我們可以使用這些粒子的碎片還原出粒子原本的面貌，從而了解某種粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。另一方面我們有可能從這些碎片中發(fā)現(xiàn)新的粒子，比如τ子、夸克、W±與Z⁰玻色子，以及幾年前發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子，這些都是通過(guò)對(duì)撞方式獲得的。

為了滿(mǎn)足進(jìn)一步的科學(xué)實(shí)驗(yàn)要求，科學(xué)家們?cè)谠技铀倨鞯幕A(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將原始加速器升級(jí)為了更易控制、能量更高的加速器。楊振寧院士所討論的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）就屬于這一類(lèi)加速器，它可以產(chǎn)生擁有巨大能量的離子束，從而有可能大量產(chǎn)生稀有的粒子，幫助人類(lèi)進(jìn)一步研究物質(zhì)的本質(zhì)并完善現(xiàn)有的物理理論體系。我們相信，不管結(jié)果如何，未來(lái)在粒子物理與原子核物理領(lǐng)域中，中國(guó)必定大有可為。

（責(zé)任編輯/陳天昊 美術(shù)編輯/李子夜）

知識(shí)鏈接

加速器竟然是下—代治癌神器？

加速器除了在科學(xué)研究領(lǐng)域被普遍應(yīng)用，也被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療與無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域。

在醫(yī)療領(lǐng)域，用重離子束治療癌癥具有治愈率高、療程短、對(duì)患者的健康組織損傷小、適形照射劑量分布好、并能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等顯著特點(diǎn)，因此又被譽(yù)為“治癌利器”，是當(dāng)今國(guó)際公認(rèn)的最尖端的放射治療技術(shù)。2019年，中國(guó)首臺(tái)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重離子治癌裝置已進(jìn)入臨床應(yīng)用前的最后沖刺階段，此裝置采用了獨(dú)特的“回旋注入器+同步加速器”技術(shù)路線(xiàn)，同步加速器周長(zhǎng)從科學(xué)實(shí)驗(yàn)用的161米縮短至56.2米，是目前世界上醫(yī)用重離子加速器中周長(zhǎng)最小的同步加速器系統(tǒng)。而它的工作原理得益于重離子的能量沉積特性，通過(guò)加速器加速重離子，轟擊癌細(xì)胞從而達(dá)到治療癌癥的效果，是未來(lái)發(fā)展的主要方向之一。