加速吧——粒子們!

史金陽

“隱約雷鳴，陰霾天空，但盼風雨來，能留你在此。”《萬葉集》中的《雷神》一文隨著日本動畫片《言葉之庭》的熱播逐步走紅，昕著影片中陣陣的雷聲，你是否思考過雷電是由什么組成的？科學的發展往往是從疑問開始的，18世紀，人們得益于富蘭克林的研究，開始了解到雷電也是一種電流，和摩擦產生的電流別無二致。科學的發展，除了從疑問開始，有時也伴隨著偶然，有相當一部分科學的進步是因為一次次的偶然而產生的。那么更進一步，電流是由什么組成的？電流的本質是什么？電流和本期要講的粒子加速器又有怎樣的聯系？就讓我們跟隨科學家的腳步，一起去探尋粒子加速器的奧秘。

用電子撬開微觀世界的大門

18世紀末，人們困惑于原子激發出的陰極射線是一種波還是一種微粒，因為這個問題關乎原子內部是否有結構。如果說陰極射線是一種微粒，那么就說明原子可以釋放出比它本身更微小的物質，所以原子可能是由更微小的粒子構成的，原子也將不再是最小的構成物質單位。劍橋大學卡文迪許實驗室的約瑟夫·約翰·湯姆森在研究陰極射線的過程中發現，由于電場的作用，陰極射線發生了偏轉，之后他通過帶電粒子束彎曲的曲率計算出陰極射線粒子的質量與電荷的比值，并將其定義為一種粒子，命名為電子。

電子的發現可以說是微觀粒子研究的開始，電子就像一把上帝遺留在人間用來打開微觀世界奧秘的鑰匙，而他的發現，也打破了“原子是不可再分”的觀點。從某種意義上來說，它解放了當時物理學家們的思想，大家開始認真地思考原子內部的問題：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部的微觀結構？帶著這個問題，許多物理學家開始著手探索原子內部的故事。這場不知終點或者說不知道存不存在終點的探索開始了。

向著未知領域的沖鋒

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。電子被發現幾年后，考慮到原子本身不帶電，既然電子帶負電荷，那么原子的內部必然有攜帶正電荷的單位將負電荷抵消從而使得整體呈現中性。受限于當時的認知，人們并不能清楚了解原子的準確結構，湯姆森提出了類似于棗糕的模型，帶負電荷的電子就像棗核一樣鑲嵌在帶正電荷的原子內部。

不過湯姆森的這一模型還沒來得及聞名世界，就被他的學生盧瑟福打破了。1909年，歐內斯特·盧瑟福使用金箔作為目標靶，以天然放射源發出的α（alpha）粒子作為炮彈轟擊金箔（金箔相對于鋁箔延展性更好，并且金的原子量比較大，相應散射效果比較好），他設計這個實驗的初衷是驗證棗糕模型的正確性。由于電子質量極小，哪怕α粒子直接與電子發生碰撞也不會明顯改變a粒子的方向，并且正電荷均勻分布，對進入其中的α粒子的電磁力作用也很小，所以他預期的是大多數的α粒子都可以徑直的穿過原子，從而驗證原子的內部只有像棗核一樣的電子。

然而，戲劇性的試驗結果導致了棗糕模型的崩塌。在實驗中，他們確實發現大多數α粒子直接穿透了金箔，但是也發現了極少數的α粒子發生了大角度的偏折甚至反射回來，這一發現說明原子內部可能存在一個實體的核心。1911年，盧瑟福想到這樣一個模型：原子核中間有一個小小的核心，外圍的遠方圍繞著電子，入射的α粒子大概率直接穿越電子與核心之間的空隙，只有極少數的α粒子剛好運動到原子核附近時才能發生大角度的折射甚至反射，這樣的話，模型就能與實驗結果符合了。而這個模型一直沿用至今，被稱作原子的核式模型。科學就是這樣，只有在不斷的試錯中才能逐漸走向完善。

構成原子的三兄弟——電子、質子和中子

既然原子是可以繼續再分的，那么原子核呢？原子核內部有沒有結構？正如之前所說的，科學發展開始于對未知的好奇。1919年，盧瑟福使用α粒子轟擊氮原子核。所謂的轟擊，形象的來說就像是一群人手拉手待在一起，然后從遠處跑來一個人突然沖入人群，把其中一個或者幾個人撞了出去。

實驗中，他發現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。他將這種粒子引入電場與磁場中，計算出了這種未知粒子的質量與電荷，發現這種未知粒子的質量與最輕的元素——氫元素的原子質量是一致的，并且這種粒子攜帶著正電荷，盧瑟福將這種新發現的粒子命名為質子。

加上之前發現的攜帶負電荷的電子，這兩種粒子電荷相反，那么中性的原子是不是由質子與電子直接組成的呢？在這樣的情況下，盧瑟福認為應當是存在一種質子與電子的復合體，這種復合體內質子與電子緊密結合從而使得整體呈現電中性，遺憾的是，這種復合體在很長一段時間內都未被盧瑟福找到。但其實這種粒子已經存在于博特的實驗與居里夫婦的實驗中了，只不過他們那時錯誤地認為實驗發現的不過是一種高能的光子，并未加以重視。機會總是留給有準備的人，盧瑟福的學生查德威克看到了居里夫人的文章，他意識到那個粒子絕不可能是光子，隨即與盧瑟福進行了討論，查德威克認為這就是他們10年前就一直在尋找的那個中性粒子。經過實驗的驗證，查德威克確認了這種中性粒子的存在，并將其命名為中子。至此，構成原子的三種粒子就全都被發現了：電子、質子、中子。

發展的必然——加速器

在電子、光子、質子、中子這些相對能量較低的粒子被發現之后，原子核物理學的發展也逐漸完善起來，理論物理學家們從公式中推導出了更多未發現的粒子以及一些粒子的反粒子，即一種與現有粒子電荷相反的粒子，比如帶正電荷的電子以及帶負電荷的質子等。但是驗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所產生的α（alpha）或者β（beta）射線的能量已經無法滿足實驗的條件。簡單來說就是現在沖刺過來的那個人已經沒有辦法撞開抱緊在一起的人群了，所以無法再把單個的粒子從復合的體系中剝離出來。

既然如此，我們就需要尋找一些具有高能量的炮彈才行。科學家們開始尋找一些更高能的粒子作為實驗中的炮彈。科學家們首先注意到宇宙中的射線具有比天然放射源更高的能量，借此發現了攜帶正電荷的電子，即正電子。科學家們意識到一條非常常見的規律，那就是離子（帶電粒子的統稱）在電場中會加速，在相同路徑下，電場越強，離子獲得的能量就越高，由此科學家們發明了直線加速器。更進一步，離子在磁場中會轉彎，如果讓帶電粒子在電場中加速然后導入磁場中，我們就可以通過控制電場與磁場的強弱來控制離子的能量與方向了。之后再讓磁場將離子軌道彎曲成一個環形，那么離子將再次回到電場，重復被電場加速。根據這樣的構想就有了最初的回旋加速器的設想。

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隨著科學的發展，加速器的需求基本分為兩類，一類是核物理方面的，加速器是研究核物理的重要工具，在核武器、放射醫療、航空航天等領域有著至關重要的作用。而在檢測領域，由于中子有良好的穿透性，常常被用于對一些大型精密器件的檢測中，比如高鐵的車軸、車輪以及一些衛星部件等。中國在這個領域建設的加速器有蘭州重離子加速器（HIRFL）、廣東惠州強流重離子加速器裝置（HIAF）等。另一類是高能粒子領域的，加速器產生的離子束流在受控條件下發生對撞，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部結構。另一方面我們有可能從這些碎片中發現新的粒子，比如τ子、夸克、W±與Z⁰玻色子，以及幾年前發現的希格斯玻色子，這些都是通過對撞方式獲得的。

為了滿足進一步的科學實驗要求，科學家們在原始加速器的基礎上進行了改進，將原始加速器升級為了更易控制、能量更高的加速器。楊振寧院士所討論的環形正負電子對撞機（CEPC）就屬于這一類加速器，它可以產生擁有巨大能量的離子束，從而有可能大量產生稀有的粒子，幫助人類進一步研究物質的本質并完善現有的物理理論體系。我們相信，不管結果如何，未來在粒子物理與原子核物理領域中，中國必定大有可為。

（責任編輯/陳天昊 美術編輯/李子夜）

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加速器竟然是下—代治癌神器？

加速器除了在科學研究領域被普遍應用，也被廣泛應用于醫療與無損檢測等領域。

在醫療領域，用重離子束治療癌癥具有治愈率高、療程短、對患者的健康組織損傷小、適形照射劑量分布好、并能實時監測等顯著特點，因此又被譽為“治癌利器”，是當今國際公認的最尖端的放射治療技術。2019年，中國首臺自主知識產權的重離子治癌裝置已進入臨床應用前的最后沖刺階段，此裝置采用了獨特的“回旋注入器+同步加速器”技術路線，同步加速器周長從科學實驗用的161米縮短至56.2米，是目前世界上醫用重離子加速器中周長最小的同步加速器系統。而它的工作原理得益于重離子的能量沉積特性，通過加速器加速重離子，轟擊癌細胞從而達到治療癌癥的效果，是未來發展的主要方向之一。