 《三思科学》电子杂志
2002年第10期 总第16期
2002年10月1日
目 录
封面
封面故事
[九歌]恐龙的颜色
特写
[春上莱茵早]穿越物质结构之谜的
"隧道"——访德国电子同步
加速器研究中心
新闻
[春上莱茵早]"初秋感伤"不足为奇
[三思新闻编辑]9月份科学新闻
├ 顽强细菌可能来自火星
├ 豆制品降低患乳腺癌危险
├ 细菌到甲虫，基因跨物种
├ 预测蛋白质结构
├ 24小时基因测序
├ 行星诞生的光环
├ 更好的锂离子电池
├ 人和黑猩猩，距离更远了
├ 遥远的行星，水的迹象
├ 黑洞的"缺环"
├ 长"兔牙"的恐龙
├ 老猫头鹰的新问题
├ 花开自有时
├ 侵略者的合作
├ "冰人"最后的晚餐
├ 掠水而行的大鹈鹕
├ 狗、牛、纤毛虫:排队等候中
├ 不易引起过敏的转基因大豆
├ 石器时代：聪明而记性坏
├ 干细胞的基因印记
├ 月亮还是垃圾？
└ 欧元电池
求知
[九歌]生态策略(下)
[江华]癌症：曙光初露
[逍遥]终极巫术--疯牛病小传(二)
[李淼]弦论通俗演义(二十二)、
(二十三)
译述
[戴维斯]怎样制造时间机器
博物
[刘华杰]"有用"与红豆杉的命运
[九歌]八哥(鸲鹆)
观点
[赵南元]"挤压"还是"选择"
[陶世龙]走出认识地球的误区(一)
辨伪
[江华]医学:科学与伪科学
[方舟子]当我们遇到有人宣布惊人
的科研成果
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穿越物质结构之谜的“隧道”
 春上莱茵早
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题图：ＤＥＳＹ制作的粒子加速器模拟图，http://www.desy.de
初识TESLA
在位于德国北方港口城市汉堡的德国电子同步加速器研究中心内一个僻静的角落里，有着一个被青草覆盖的小山坡。如果不仔细看，你很难会发现在小山坡一侧的下方，会有一个普通的铁门，而拉开铁门进入，我就站在了这样的一个隧道面前。
TESLA加速器300米预研制段的隧道，春上莱茵早摄
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眼前的场景让我很难想像这就是“高深莫测”的粒子加速器的诞生之所：它如同一个地铁通道，但却要小许多，隧道内径不过５米；左边的钢结构板状通道，是日后科研人员对仪器进行维护检修的平台；而右边规则排列的水泥墩，则就是用来日后放置粒子加速器的基座——这就是即将成为全球能级最高、规模最大的粒子加速器“TESLA”（万亿电子伏能量超导线性加速器）的300米预研制部分的一段。
用于放置TESLA粒子加速器的隧道，建于地下10-30米，内径5米。
扫描自DESY提供的介绍资料
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今年年初，德国相关部门在长达10年的论证后终于决定兴建TESLA。TESLA是“Tara Electron Volt Energy Superconducting Linear Accelerator”（万亿电子伏能量超导线性加速器）首字母的缩写。该项目由多国合作建设，仅其技术设计报告就由来自36个国家的304个研究所的1134名科学家共同完成，而其预研制阶段的相关工作也有11个国家45个研究所参与。该加速器将耗资38.77亿欧元。预计该项目将耗时8年建成，并于2012年左右投入使用。建成后该加速器可达到单脉冲含2820聚束，单聚束含2×10^10个粒子。“特斯拉”建成后，将是世界上能级最大的加速器之一，在探索物质起源、寻找希格斯玻色子完善统一理论、研究暗物质以及医学、材料等科研领域，都将具有重要意义。
昔日DESY不足夸
DESY鸟瞰图，扫描自DESY提供的介绍材料
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当然，TESLA这一日后的超级加速器如今还宛如“犹抱琵琶半遮面”，不得窥见其真正的面目。但站在一幅该实验室全貌的简图前，有所比较，我才获得了一个大致清晰的概念：这个位于汉堡西部的实验室基本以环状周长为2.3公里的“PETRA”加速器为界，而最早兴建的“DESY”加速器与“DORIS”加速器，如今不过各自只占据了中心大约几十分之一的面积。而“HERA”加速器则仅有短短一段穿越整个实验室，如隧道状埋于地下的大部分则环绕至研究中心之外。而已经开始兴建的“特斯拉”加速器则如同射线般从研究中心放射开去，直达33公里之外。
DESY实验室各加速器详细位置图，扫描自DESY提供的介绍材料
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不过驱车驶入DESY之时，眼前的情景与想像中还是颇有差别的。整齐排列的幢幢低矮楼房，掩映在层层叠翠的绿树之中；一条静静流淌的小溪穿越而过，间或点缀着大片的绿地第一印象。只是当我进入其中一幢其貌不扬的楼房，再乘坐电梯下到２０多米之深的地下时，面对那些成堆的各种巨大磁铁、线圈与隧道状“铁管”构成的HERA加速器时，我才感受到真正的震撼。
德国电子同步加速器研究中心（DESY）得名于1960年至1964年建造于此间的德国电子同步加速器（Deutsches Elektronen -Synchrotron）。在当时，这是世界上最大的同类粒子加速器试验装置。而后，一系列纷纷“称雄一时”的粒子加速器又纷纷落户此处：1969年至1974年，正负电子双存储环“DORIS”（the electron-positron Double Ring Store）建成；1975年至1978年，2.3公里长的正负电子串列环形加速器“PETRA”（Positron-Electron Tandem Ring Accelerator）建成，1984年至1990年，强子-电子环形加速器“HERA”（Hadron-Electron Ring Accelerator）建成。如今的DESY，共有约1390名雇员，其中大约300名是科研人员，年度经费为1亿4千5百万欧元。
一系列高端的科研设备的建成投入使用，使得该中心的科研成果也一直走在世界前列，陆续在基本粒子的研究领域取得了许多重大发现。1975年，科学家利用该研究中心的“DORIS”加速器首次证实了桀夸克的激发态，从而真正宣告了重夸克的“诞生”；1979年，科学家利用该中心的“PETRA”加速器发现了胶子存在的证据；1993年，科学家借助该中心的实验仪器发现，质子内部的活动要比此前人类观测到的结果更为复杂，再次将物质构成之谜的探索道路引向深入。
物质构成之谜与高能粒子加速器
从DESY到TESLA，人们一直在尝试建造能级更高、规模更大的加速器，那么加速器究竟有什么用呢？
过去数百年间，人类已经认识到无论是巍巍群山或是细渺尘埃，都是由原子构成的，原子又是由电子、夸克等更小的粒子构成的。从古到今，人类一直对物质构成这一命题充满了兴趣，而打开物质深层结构大门的金钥匙便是高能粒子加速器。
1919年，卢瑟福用天然放射源实现了第一个原子核反应，即利用α粒子轰击氮、氟、钾等元素的原子核发现了质子。这使得人们第一次打开了原子神秘的大门，意识到院子并非是构成物质的最小基本粒子。卢瑟福的试验方法给许多科学家以启发，很快人们就提出了用人造快速粒子源来改变原子核的设想，即想方设法提高作为轰击目标粒子“炮弹”的粒子的速度。此后，１９２８年，伽莫夫关于量子隧道效应的计算成果进一步激发了人们研制人造快速粒子源的热情。２０世纪３０年代初以来，回旋加速器、静电加速器相继问世。而后，人们又陆续发明了各种高能加速器。
正负电子对撞模拟情景，扫描自DESY提供的介绍材料
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简单的说，粒子加速器是一种用人工方法产生快速带电粒子束的装置。它利用一定形态的电磁场将电子、质子或重离子等带电粒子加速，能提供速度甚至接近光速的各种高能量的带电粒子束，是人们变革原子核和基本粒子、认识物质深层结构的重要工具。
如同G. 伽莫夫与R.斯坦纳德在《物理世界奇遇记》中所介绍的，实际上，在我们每个人的家里都有一台小型粒子加速器——那就是电视。在电视机的显像管里，电子从热的灯丝蒸发出来并受到电场的加速，结果就撞击到前面的荧光屏上。这个电场一般是由２万伏的电压降产生的，也就是说，被加速后的电子具有２万电子伏（eV）的能量。eV是人们在此相关研究中所用的基本能量单位，但因为这个单位太小了。比较方便处理的单位是兆电子伏（１０^６电子伏，即MeV）， 或１０^９电子伏（GeV）。
物质构成之谜：从晶体到夸克，扫描自DESY提供的介绍资料
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为了将电子加速到很高的速度直至接近光速，就需要巨大的电压降。科学家们为此建造了圆形的真空“管道”，即粒子被加速运动的场所。在管道中某处，会有一个射频腔，它所产生的电场负责在粒子从旁边经过时对它们进行加速。由于电子是沿着圆形管道运动的，因此每当它们绕行一圈再次经过同一个射频加速腔时，就会再受到一次冲击而得到加速。这样一来，人们就不再需要巨大的电压降了。这好比链球运动那样：人们使链球一次又一次绕着圆形转圈，而在链球的速度变得越来越大时，它也把链条绷得越来越紧。
为控制粒子运行轨迹，人们利用了电磁铁。举例来说，如果一块电磁铁，它的一个磁极在管道上面，另一个磁极在下面，这样它就会产生一个竖直方向的磁场，使粒子的路径在水平面上拐弯。但由于能够使带电粒子的路径偏离直线的磁场大小取决于粒子的动量，也就是粒子的质量与其速度的乘积。但是这些粒子在不断受到加速，所以它们的动量也在不断增大。这就是说，要使粒子的道路弯曲，并使它们总是沿着圆环运动，就变得越来越困难了。因此，我们就必须这样做：随着粒子动量的增大，供给电磁铁的电流要不断增大，从而使电磁铁两个磁极之间的磁场强度也不断增大。如果磁场的增大正好与粒子动量的增大同步，那么在整个加速期间内，粒子就会精确地沿着相同的道路运动。这也就是“同步回旋加速器”得名的原因了。
在粒子被加速到一定的速度后，一般有两种途径使用这些“炮弹”。一种是俗称“打靶”的方式，即一旦粒子达到了最大的能量，我们就激活一块冲击磁铁或者创造一个电场，把粒子从加速器中发射出去。于是它们就射到铜靶或钨靶上，并在那里产生新的粒子。然后再用更多的磁场和电场把这些粒子按照它们的种类分开，最后把它们引导到像气泡室那样的探测器中去。
但上述的传统方法对粒子能量的利用效率并不太高。因为在碰撞中不但能量必须守恒，而且动量（或者说冲量）也必须守恒。从加速器射出的粒子具有动量，这个动量必定会转交给碰撞后出现的粒子。但是，最后出现的粒子如果不同时具有动能，就不可能具有动量。因此，事实上入射粒子的一部分能量要被扣下来作为储备，以便后来能够把它转交给新产生的粒子作为动能，使它们带着必需的动量进一步运动。
为此，科学家们现在一般采用让两束粒子相互对撞的方式。即有两束粒子朝着相反的方向相撞，在此情况下，一束粒子所带来的动量被另一束粒子所带来的大小相同而方向相反的动量抵消掉了。这样一来，两束粒子所带来的能量便全部可以用于产生新的粒子。这有点像两辆汽车发生对头碰撞，要比其中有一辆汽车静止不动时的碰撞猛烈得多，因为在后一种情况下，两辆汽车只不过是像火车脱轨改变了方向罢了。
粒子具有不同电性的特征使得这种对撞的方式并不需要同时具有两个加速器，因为一个磁场使带负电粒子拐弯的方向，正好同它使带正电粒子拐弯的方向相反。所以，科学家们就利用同一组偏转磁铁和加速腔，使正粒子沿着一条路运动，而负粒子则沿着另一条路运动。当然，要想准确地保持相同的轨道，它们必须始终具有相同的动量，所以，这两组粒子就必须具有相同的质量，同时具有相同的速度。这就是我们这里采用反向回旋的电子和正电子的原因。另一种这样的组合是质子和反质子。就这样，两束粒子在不同的方向上受到一圈圈回旋加速，直到它们达到最大的能量。然后它们就被带到圆环上的某些指定点进行对头碰撞，也就是在这些交点上，安放的探测仪器就可以检测到因撞击而产生的新粒子了。
DESY内粒子加速器实图，扫描自DESY提供的介绍材料
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几十年来，人们应用粒子加速器在探索物质构成之谜的道路上取得了许多重大成果，尤其是高能加速器的发展又使得人们得以发现包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子等上百种基本粒子，并建立起粒子物理学这样一门新学科。目前，加速器的应用已经远远超出了粒子物理学的领域，在诸如材料科学、分子生物学、医学等领域都有广泛而重要的应用。
时至今日，在粒子加速器这把金钥匙的帮助下，人类已经越来越接近物质构成之谜的最后谜底。粒子加速器，宛如连接人类求知欲隧道，引领我们走向真理。
DESY
TESLA
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