粒子加速器

一旦反電子，或者說正電子生成并被觀測到，科學(xué)家們覺得，完全可以確信反質(zhì)子也必定存在。然而，單單確信是不夠的，他們還想觀測到一個確實(shí)存在的反質(zhì)子。

不過反質(zhì)子似乎在我們的周圍并不存在，我們所要做的事情恐怕與發(fā)現(xiàn)反電子沒有什么差別。它們必定會在某些類型的核反應(yīng)中形成，然后被觀測到，但是這說起來容易，做起來就難了。因?yàn)橘|(zhì)子的質(zhì)量是電子的1 836倍，所以我們顯然可以肯定反質(zhì)子的質(zhì)量也是反電子的1 836倍。

科學(xué)家們通過使α粒子轟擊鉛壁形成了電子—反電子對，但是要形成質(zhì)子—反質(zhì)子對，則必須找到一種發(fā)射體，它能產(chǎn)生的α粒子的能量相當(dāng)于完成上述任務(wù)的α粒子的1 836倍。不幸的是根本不存在能量如此高的α粒子。

毫無疑問，已知的宇宙線粒子具有足夠的能量來完成該項(xiàng)任務(wù)，但是它們的數(shù)量實(shí)在太少了，要想生成反質(zhì)子，其數(shù)量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為使宇宙線這種稀少的粒子能夠在被探測到的地方確切形成一個反質(zhì)子，還要等待很長的時間。

然而，到了20世紀(jì)20年代末，物理學(xué)家們開始致力于產(chǎn)生他們自己的高能發(fā)射體。為了達(dá)到這個目的，必須從較重的粒子開始著手研究，因?yàn)楦咚倭Ｗ拥哪芰渴请S著它質(zhì)量的增加而增加的。這就意味著至少應(yīng)選擇像質(zhì)子那樣重的粒子。作出這樣的選擇是很自然的，因?yàn)橐氆@得質(zhì)子，只須從氫原子中除去外層電子即可，而要完成這項(xiàng)工作是沒有多大問題的。當(dāng)然，α粒子的質(zhì)量更大一些，但它們是從氦核中獲得的，而這是一種比氫稀少得多的物質(zhì)，而且要想分離出氦的裸核也要困難得多。

僅僅提供質(zhì)子還是不夠的，還要使它們穿過電場得以加速，從而使它們運(yùn)動得更快。電場愈強(qiáng)，質(zhì)子的加速就愈明顯。如果經(jīng)過加速的質(zhì)子能夠?qū)⒃雍藫羲?，那么就有可能發(fā)生核反應(yīng)。在進(jìn)行該項(xiàng)研究工作的初期，報(bào)紙上把能完成這種工作的裝置稱做原子擊破器，但是這個術(shù)語過于夸張了，更嚴(yán)謹(jǐn)一些的名字應(yīng)叫做粒子加速器。

世界上第一臺實(shí)用的粒子加速器是由英國物理學(xué)家科克羅夫特（John Douglas Cockcroft，1897—1967)和他的同事、愛爾蘭物理學(xué)家沃爾頓（Ernest Thomas Sinton Walton，1903—1995)一起于1929年發(fā)明的。他們用自己發(fā)明的粒子加速器，讓高能質(zhì)子轟擊鋰7（含3個質(zhì)子和4個中子)的核，在此過程中，有一個質(zhì)子撞入核內(nèi)，并留在那里，從而形成鈹8（含4個質(zhì)子和4個中子)。然而，鈹8是極不穩(wěn)定的，它在大約十萬億億分之一秒內(nèi)就分裂成2個氦4核（含2個質(zhì)子和2個中子)。這是第一個由加速粒子引發(fā)的核反應(yīng)，為此科克羅夫特和沃爾頓共享了1931年的諾貝爾獎。

在這項(xiàng)偉大的發(fā)明誕生之后的幾年里，人們又研制出了一些其他類型的粒子加速器。1930年，美國物理學(xué)家勞倫斯（Ernest Orlando Lawrence，1901—1958)得出了一個非常有用的結(jié)論。他發(fā)現(xiàn)，一個普通的電場會使一個質(zhì)子沿直線向前逐漸加速，并迅速穿過電場而無法再被加速。要想使質(zhì)子繼續(xù)加速則電場必須延伸很長的距離。

勞倫斯發(fā)明了一種方法，就是使電場不斷前后翻轉(zhuǎn)，從而強(qiáng)迫質(zhì)子先沿一個曲線軌跡運(yùn)動，然后再沿另一個曲線軌跡朝相反的方向運(yùn)動，從而完成一個“循環(huán)”，并使質(zhì)子仍完全保持在電場的范圍之內(nèi)。通過這種一次又一次地往返，粒子將會沿著慢慢擴(kuò)大的圓圈運(yùn)動。雖然隨著圓圈的擴(kuò)大粒子必須經(jīng)過愈來愈長的距離，但是它們會逐漸加速，以保證在同樣長短的時間內(nèi)完成一次循環(huán)，并與不斷前后翻轉(zhuǎn)的電場保持同步。因此，在一個相當(dāng)長的時間內(nèi)粒子會保持在電場范圍內(nèi)，而且即使這樣，裝置本身也不會太大。按照這種方法，一個較小的裝置就能使粒子達(dá)到意想不到的高能狀態(tài)。勞倫斯把他的這種裝置稱為回旋加速器，并因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)明而獲得了1939年的諾貝爾獎。

此后人們又迅速建成了更大和更強(qiáng)的回旋加速器。由于在加速器研制過程中采用了新設(shè)計(jì)，使電場變得更強(qiáng)，因而粒子運(yùn)動的速度也更快。這就使得粒子沿著更加緊密的圓圈運(yùn)動，而不會沖出電場，除非科學(xué)家準(zhǔn)備讓它們出去。這類質(zhì)子同步加速器使粒子具有更高的能量。這就有可能建成雙循環(huán)裝置，在這個裝置中，粒子可以沿相反的方向運(yùn)動，最終迎面相撞。這樣就能使以前通過單一的粒子流對一個固定物體進(jìn)行撞擊而產(chǎn)生的能量加倍。

1987年，美國開始考慮耗資約60億美元來建造超級超導(dǎo)對撞機(jī)，在這種粒子加速器中，被送入的粒子將要繞著52英里（約83.683 6千米)長的軌道運(yùn)動，產(chǎn)生的能量相當(dāng)于目前最強(qiáng)的一種粒子加速器的10倍。（在本書的后面將會提及人們想通過這種強(qiáng)勁得不可思議的裝置得到什么。當(dāng)然，確實(shí)存在著非常特殊的宇宙線粒子，這種粒子具有的能量甚至是這種加速器產(chǎn)生的粒子能量的幾百萬倍，但是要等到這種粒子出現(xiàn)還需要很長的時間，可以說是守株待兔。)

早在20世紀(jì)50年代人們就已經(jīng)建成了足夠強(qiáng)大的粒子加速器，它所產(chǎn)生的粒子所具有的能量足以形成質(zhì)子—反質(zhì)子對。顯然，如果用它們?nèi)プ矒暨m當(dāng)?shù)哪繕?biāo)，這種高能粒子就會引起各種核反應(yīng)，并能產(chǎn)生各種類型的粒子。這時如果讓這組不同種類的粒子經(jīng)過一個磁場，所有帶正電的粒子會偏向一個方向，而所有帶負(fù)電的粒子會偏向另一個方向。最重的帶負(fù)電的粒子就是預(yù)期的反質(zhì)子；它的軌跡應(yīng)該彎曲得最小。在離目標(biāo)很遠(yuǎn)的地方，所有的粒子都會蜿蜒離開磁場，只有反質(zhì)子（如果形成的話)仍在磁場中。

1955年，锝元素的發(fā)現(xiàn)者、如今已是美國公民的塞格雷與美國物理學(xué)家張伯倫（Owen Chamberlain，1920—2006)一起用這種方法找到了反質(zhì)子，為此他們分享了1959年的諾貝爾獎。