華興恒

發(fā)現(xiàn)、研究新的基本粒子，探索微觀結(jié)構(gòu)的極限，其使用的基本工具，就是復(fù)雜、神秘而又昂貴的人工粒子源——加速器。

高能加速器擔(dān)負(fù)的任務(wù)是把帶電粒子（質(zhì)子、離子、電子）加速到一定的能量，作為“探針”供各種不同的實(shí)驗(yàn)使用。通常研究的客體越小，“探針”的能量必須越高?，F(xiàn)代高能加速器已能夠獲得密度為每秒鐘10¹⁸個(gè)粒子的束流，于是可以開展大量的、有目的的實(shí)驗(yàn)研究，并應(yīng)用到醫(yī)學(xué)、現(xiàn)代工業(yè)等方面。

1932年，英國科學(xué)家科克勞夫與沃頓建造了一臺高壓加速器，把質(zhì)子加速到具有70萬電子伏（1電子伏=1.6×10^-19焦耳）的動能，并在歷史上首次使用人工加速的粒子實(shí)現(xiàn)了核反應(yīng)。次年，美國的科學(xué)家范德格拉夫把高壓加速器的記錄提高到1.2兆電子伏。幾乎同時(shí)，美國的物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，回旋加速器巧妙地利用磁場把粒子限制在一定大小的兩個(gè)“D”形盒中，在阿個(gè)“D”形盒的接縫處加上高頻交變電場，使粒子加速。到上個(gè)世紀(jì)30年代末期，它的能量已高達(dá)20兆電子伏，成為各種加速器的最高者，勞倫斯兇此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

由于相對論效應(yīng)，粒子速度越高，質(zhì)量就越大，旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間就越長，若加速電場的周期不變，這樣就產(chǎn)生了不合拍的現(xiàn)象，也就限制了能量的提高。有鑒于此，科學(xué)家們又先后發(fā)明了“等時(shí)性回旋加速器”和“穩(wěn)相加速器”。前者是把磁場強(qiáng)度做得不均勻，從而抵消掉相對論效應(yīng)的影響，加速能量達(dá)幾億電子伏；后者是根據(jù)“自動穩(wěn)相”原理設(shè)計(jì)的，改變加速電場的頻率，以適應(yīng)粒子回旋頻率的變化，其能量水平也達(dá)到幾億電子伏。雖然這兩種加速器從理論上說，可以把粒子加速到任意商的能量，但是由于能量的提高伴隨著軌道半徑的增大，因而磁極也越來越大，這樣就顯得極為笨重。因此科學(xué)家們又想到了把磁鐵心挖掉，變?yōu)榇盆F環(huán)的辦法，從而使粒子不再沿形如鐘表發(fā)條的軌道回旋，而是在半徑從幾米到幾千米的環(huán)形磁跑道里加速，跑道每隔一定的距離就有磁鐵來控制粒子的軌跡，并伴隨著粒子速度的增加，磁場亦按同樣的步伐增強(qiáng)，這就是同步加速器的基本特征。

同步加速器可加速電子和質(zhì)子等重粒子。從技術(shù)上考慮，一般先用別的加速器把粒子加速到一定的速度后，再送人同步加速器中加速。電子同步加速器出現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì)40年代中期。電子在以接近于光速的速度做圓周運(yùn)動時(shí)，會在切線方向強(qiáng)烈地輻射出光子，這就是同步輻射。它使電子的能量損失很大，這部分損失的能量由加速器上的高頻腔來補(bǔ)充。人們發(fā)現(xiàn)，同步輻射在分子生物學(xué)、表面物理、非線性光學(xué)、半導(dǎo)體器件丁藝等方面有著廣泛應(yīng)用，已成為一門新興的技術(shù)。

質(zhì)子同步加速器在原理上與電子同步加速器基本相同，但加速對象是質(zhì)子，它的質(zhì)量比電子大得多（1837倍），要求軌道半徑也大得多。目前，同步加速器能使能量提高到幾百億電子伏。

1952年，又出現(xiàn)了“強(qiáng)聚焦同步加速器”。它是在普通加速器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)聚焦能力，把粒子更加嚴(yán)格地限制在軌道上，這樣可以更進(jìn)一步地提高能量，達(dá)到幾千億電子伏，而加速器設(shè)備也更加龐大，占地面積達(dá)到幾萬畝，造價(jià)均為上十億美元。

為了進(jìn)一步提高效率，“對撞機(jī)”應(yīng)運(yùn)而生了。顧名思義，對撞機(jī)就是讓兩束高能粒子相互對撞。乍一看，對撞能量至少提高一倍，其實(shí)若從有效能的觀點(diǎn)看，對撞的好處更大，特別是對質(zhì)量較小的粒子（如電子）。對撞機(jī)的結(jié)構(gòu)與同步加速器極為相似，高能粒子經(jīng)過預(yù)加速后注入對撞機(jī)中，在環(huán)形真空室中貯存起來，當(dāng)其積累到一定的密度時(shí)就進(jìn)行對撞，在對撞點(diǎn)對反應(yīng)進(jìn)行探測。目前，世界上的大型加速器多是對撞機(jī)，如北京正負(fù)電子對撞機(jī)、美國斯坦福大學(xué)的正負(fù)電子對撞機(jī)、日本的正負(fù)電子對撞機(jī)、美國的質(zhì)子對撞機(jī)，以及歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)。此外，美國還投資近百億美元，建造了超導(dǎo)超級對撞機(jī)，其周長達(dá)87千米。

粒子物理學(xué)家們正是利用這些加速器，探索物質(zhì)組成的微觀奧秘。今后，新加速器原理和新加速器的出現(xiàn)，必將給人類探索微觀世界提供更加有力的工具。