[科普中國]-高能粒子

來源

早期的高能粒子來源于天然放射性元素如鈾、鐳等放出的高能射線。

盧瑟福證明原子有核模型的散射實(shí)驗(yàn)用的就是鐳放出的α粒子。后來的高能粒子源有所擴(kuò)充，小居里夫婦發(fā)現(xiàn)了人工放射性，獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，赫斯發(fā)現(xiàn)了能量極高的宇宙射線，與正電子的發(fā)現(xiàn)者安德森共同獲得了諾貝爾獎(jiǎng)（正電子是安德森利用云室從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)的）。

但從30年代開始，這些手段已經(jīng)無法滿足實(shí)驗(yàn)要求，50年代后，粒子加速器和對(duì)撞機(jī)等現(xiàn)代大型實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)運(yùn)而生，大批粒子不斷被發(fā)現(xiàn)。

加速器和對(duì)撞機(jī)的機(jī)理類似，都是利用電磁場來加速帶電粒子。早期的加速器有高壓倍加器、回旋加速器、靜電加速器等，后來又相繼發(fā)明同步回旋加速器、高能粒子對(duì)撞機(jī)、直線加速器、電子感應(yīng)加速器等。經(jīng)過了60多年的努力，使人工獲得的高能粒子能量提高了8個(gè)數(shù)量級(jí)，從幾百keV到幾十個(gè)TeV。

太陽活動(dòng)產(chǎn)生的高能粒子流，又稱太陽高能粒子。太陽活動(dòng)主要是耀斑活動(dòng)。太陽宇宙線的主要成分是質(zhì)子和電子，也包括少量其他核成分。近年來的觀測已證實(shí)，有的耀斑也輻射中子。 太陽宇宙線并不是孤立的，它是收到星系的引力作用，激發(fā)出的內(nèi)在 的粒子運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生的光、磁等看的見的與看不見的射線。

成分通過實(shí)驗(yàn)手段對(duì)高能量基本粒子進(jìn)行的探測4。從20世紀(jì)50年代開始，由于高能加速器技術(shù)的發(fā)展，被加速粒子的能量越來越高，因此，在不同的時(shí)期，“高能”的定義是不同的。在60年代，幾吉電子伏就認(rèn)為是屬于高能范圍。到了80年代，幾十吉電子伏以上才夠得上稱為高能。為了著重?cái)⑹龈吣芰Ｗ拥奶綔y方法，這里把幾吉電子伏能量的粒子認(rèn)為是高能粒子。

在所有的高能粒子中，除了電子e和質(zhì)子p可以用加速器加速的辦法達(dá)到高能量以外,其他的高能粒子,如帶電的π±介子、K±介子、反質(zhì)子圴、Σ±超子、μ±子(也包括e和p)和不帶電的（即中性的）中子n、K 介子、Λ 超子、γ光子、J/ψ粒子、μ子中微子vμ、電子中微子ve等等，都只能在粒子的相互作用中產(chǎn)生。對(duì)于高能粒子相互作用，一般可表示成以下形式：A+B→C+D+E+F+…,A為入射的高能粒子，B為靜止的靶粒子（在AB對(duì)撞的情況下，A和B在質(zhì)心系都為高能粒子），C、D、E、F等為A和B作用后產(chǎn)生的次級(jí)粒子。高能粒子探測的基本內(nèi)容就是：記錄次級(jí)粒子數(shù)目,確定次級(jí)粒子本身的性質(zhì)(質(zhì)量、電荷、壽命)以及確定次級(jí)粒子的運(yùn)動(dòng)量(能量、動(dòng)量、飛行方向)。
探測高能粒子的基本原理是依據(jù)帶電粒子與物質(zhì)原子的電離或激發(fā)作用，不同粒子有不同電離(和激發(fā))強(qiáng)度與動(dòng)量的關(guān)系曲線?，F(xiàn)代的絕大多數(shù)探測器都是根據(jù)這個(gè)原理制成。帶電粒子可以直接被探測器（如核乳膠、氣泡室、流光室、多絲正比室；漂移室等）探測到，因此可直接測定其性質(zhì)。而中性粒子不能使物質(zhì)原子產(chǎn)生電離（或激發(fā)），因此必須通過間接方式來確定其性質(zhì)，如通過探測其衰變的帶電粒子或探測與物質(zhì)作用產(chǎn)生的帶電粒子。在某些情況下，還可利用高能帶電粒子的切倫科夫輻射效應(yīng)、穿越輻射效應(yīng)等作為探測原理。此外，由于各種粒子本身的性質(zhì)不同(如強(qiáng)子、光子和輕子等)，在探測方法上也有很大的差別。
需要確定哪些次級(jí)粒子性質(zhì)取決于實(shí)驗(yàn)本身的要求。只要求測定一個(gè)次級(jí)粒子的性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)叫做單舉實(shí)驗(yàn)；要求測定全部次級(jí)粒子的性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)叫做遍舉實(shí)驗(yàn)。不管哪種實(shí)驗(yàn)，對(duì)于要測定的具體次級(jí)粒子，一般都要求探測出它是什么粒子（亦即確定其質(zhì)量和電荷，有時(shí)還要求確定其壽命），它的動(dòng)量以及它的飛行方向，對(duì)于每個(gè)相互作用，通常還要求確定由作用產(chǎn)生的總的次級(jí)粒子數(shù)目。

實(shí)驗(yàn)加速器實(shí)驗(yàn)1930年，美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，并因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，但由于相對(duì)論效應(yīng)，粒子的加速會(huì)使質(zhì)量增大，從而只能使粒子獲得幾百keV的能量5。

同步加速器的發(fā)明克服了這一缺點(diǎn)，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子同步加速器軌道半徑為1km，利用超導(dǎo)磁場，可將質(zhì)子加速到1TeV。

同步加速器產(chǎn)生的同步輻射進(jìn)一步限制了粒子能量的增大，故近年來物理學(xué)家們又開始發(fā)展直線加速器，因?yàn)橹本€運(yùn)動(dòng)的粒子沒有同步輻射。20世紀(jì)的最后幾十年是對(duì)撞機(jī)的時(shí)代，弱點(diǎn)統(tǒng)一理論預(yù)言的中間玻色子也在對(duì)撞機(jī)中被發(fā)現(xiàn)。歐洲質(zhì)子對(duì)撞機(jī)對(duì)撞能量已達(dá)14TeV，并且已經(jīng)開始建造更大型的對(duì)撞機(jī)，希望能夠找到與質(zhì)量起源聯(lián)系密切的希格斯玻色子。對(duì)撞機(jī)還可以利用兩個(gè)重粒子的對(duì)撞模擬宇宙大爆炸。

電子感應(yīng)加速器是一種利用感生電場來加速電子的新型加速器，同步加速器適合加速重粒子（如質(zhì)子），但是很難加速電子，感應(yīng)加速器克服了這一困難。如今感應(yīng)加速器中產(chǎn)生的γ射線可以做光核反應(yīng)研究，還可以用于工業(yè)無損、探傷和醫(yī)療等領(lǐng)域。先進(jìn)的高能加速器和對(duì)撞機(jī)主要用于前沿科學(xué)，而低能加速器卻已經(jīng)廣泛轉(zhuǎn)為民用，在材料科學(xué)、固體物理、分子生物學(xué)、地理、考古等學(xué)科有重要應(yīng)用。

被加速的粒子可以通過輻照改變材料的性質(zhì)或者誘發(fā)植物基因的突變培育新品種，可以診斷并治療腫瘤，還可以生產(chǎn)大量同位素，用于工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。當(dāng)然，加速器只能加速帶電粒子，現(xiàn)如今廣泛應(yīng)用的中子探傷技術(shù)、中子干涉測量技術(shù)、中子非彈性散射等所用的中子是由核反應(yīng)堆中產(chǎn)生的。6

實(shí)驗(yàn)過程在高能粒子物理散射實(shí)驗(yàn)中，僅僅有高能粒子還不夠，還必須有先進(jìn)的粒子探測器來收集信息。粒子探測器是利用粒子與物質(zhì)的相互作用原理來產(chǎn)生信號(hào)的。帶電粒子在物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的主要能量損失是電離損失，通過測量單位路程的能量損失可以判別粒子的類型7。

低能在物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的主要能量損失是光電效應(yīng)，其次較弱的因素還有康普敦散射、瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射等，能量大于1MeV的光子能量損失主要原因是產(chǎn)生了正負(fù)電子對(duì)。高能電子入射到物質(zhì)中時(shí)，由于突然減速，會(huì)產(chǎn)生高能軔致輻射，高能光子又會(huì)激發(fā)正負(fù)電子對(duì)……如此產(chǎn)生一連串的連鎖反應(yīng)，可以形成電磁簇射，簇射深度稱為輻射長度，與粒子能量和介質(zhì)密度有關(guān)，高能光子也可以形成簇射。

當(dāng)帶電粒子在介質(zhì)中的速度大于介質(zhì)中的光速時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種類似于聲學(xué)中的“沖擊波”一樣的輻射，稱為切連科夫輻射。切連科夫因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)這種輻射而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

實(shí)驗(yàn)裝置高能粒子實(shí)驗(yàn)裝置指的是用以發(fā)現(xiàn)高能粒子并研究和了解其特性的主要實(shí)驗(yàn)工具。高能物理實(shí)驗(yàn)需要三大條件：一是粒子源；其次是探測器，用以觀察、記錄各種高能粒子，大體上可以分成電探測器和徑跡探測器兩類；第三是用于信息獲取和處理的核電子學(xué)系統(tǒng)。

徑跡探測器包括云室、泡室等探測裝置。在歷史上，人們曾利用這類探測器在科學(xué)上得到重要成果。例如，1932年，C.D.安德森用云室發(fā)現(xiàn)了正電子。1960年，中國科學(xué)家王淦昌發(fā)現(xiàn)反西格馬負(fù)超子所用的探測器就是24升丙烷泡室。但是，這類探測器已不屬于現(xiàn)代的主要實(shí)驗(yàn)裝置。

在同步加速器上進(jìn)行高能物理實(shí)驗(yàn)，常使用前向譜儀。這是在束流前進(jìn)方向上有目的地安排一系列電探測器，包括閃爍描跡器、多絲正比室、漂移室、契侖科夫計(jì)數(shù)器、全吸收量能器等探測裝置。例如,用來發(fā)現(xiàn)J粒子的雙臂譜儀就是一種前向譜儀。

在對(duì)撞機(jī)上進(jìn)行高能物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，所用譜儀的安排則另有特點(diǎn)。探測器在結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡可能地從各方面包住對(duì)撞區(qū)，形成接近4π的立體角。例如，束流管道外包以漂移室,再包以閃爍計(jì)數(shù)器,外面再包以簇射計(jì)數(shù)器。簇射計(jì)數(shù)器外面有大型磁鐵形成軸向磁場。磁鐵外面包以μ子計(jì)數(shù)器等，形成多層疊套結(jié)構(gòu)。中國正在興建的第一臺(tái)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上所用的探測裝置即屬此類型。

所有這些探測高能粒子的實(shí)驗(yàn)裝置，一般體積都在100～200米3以上，重量達(dá)數(shù)百噸。然而,其定位精度要求達(dá)到10-4米量級(jí)，定時(shí)精度達(dá)到10-10 秒量級(jí),信號(hào)通道數(shù)達(dá)104～105,數(shù)據(jù)率到107位每秒量級(jí)，連續(xù)工作時(shí)間達(dá)103小時(shí)以上。因此,完成這樣高指標(biāo)的信息測量工作，必須擁有龐大、復(fù)雜、精密的核電子學(xué)系統(tǒng)。

探測原理利用這些相互作用原理，針對(duì)不同的要求，可以設(shè)計(jì)出不同類型和功能的粒子探測器。較早的有威爾遜云室，后來又發(fā)明了氣泡室、乳膠室、多絲正比室、漂移室等，最后又發(fā)明了切連科夫探測器。

超級(jí)神岡中微子探測器是專門用來探測宇宙中最難束縛的幽靈：中微子的，探測器用了50500噸水作為切連科夫探測器，探測到的光（切連科夫輻射）輸入計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了中微子振蕩的存在，并且揭示了太陽中微子的失蹤之謎。這些探測器配合粒子加速器可以用來探測多種粒子的軌跡、能量、類型等，它們是加速器的眼睛。

粒子物理實(shí)驗(yàn)所得到的粒子散射截面等數(shù)據(jù)，結(jié)合大爆炸宇宙學(xué)恰好可以解釋宇宙中元素的組成和相對(duì)豐度。

137億年前，宇宙誕生并開始膨脹，原始宇宙處于超高溫和超高密度的狀態(tài)，超高能光子激發(fā)出大量的粒子，光子們走不了幾步就會(huì)與某個(gè)粒子（比如電子）碰撞，光根本透不出來，不得不與其它粒子形成了熱平衡（平衡輻射又叫普朗克輻射）。