高能物理中常見的對撞機通道。圖片來源：Wikipedia

撰文 | 吳進遠（美國費米國家加速器實驗室）

責(zé)編 | 陳曉雪

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很多人認為高能物理是一門抽象的學(xué)科，看不見摸不著。沒錯，這也是筆者多年前剛開始讀博時的想法。待筆者參加搭建實驗的工作了，才發(fā)現(xiàn)高能物理其實挺實際的。

不論是哪個學(xué)科做實驗，不外乎就是在一定的控制條件下觀測自然現(xiàn)象。容易觀測的，前人已經(jīng)玩壞了，剩下都是不容易直接觀測到的現(xiàn)象?？蓪嶒灴茖W(xué)就講究個眼見為實，沒見到還就不能瞎說。別著急，物理學(xué)家的一個經(jīng)驗是，如果一種物理現(xiàn)象真實存在，它多半會引起其它的物理現(xiàn)象，這新的物理現(xiàn)象就有可能是可觀測的。我們今天要講的就是如何產(chǎn)生和觀察夸克等諸如此類的基本粒子。

夸克是物質(zhì)的基本組成部分，一共有6種，組成我們大家的分子里有原子，原子里有原子核，原子核里有質(zhì)子和中子，每個質(zhì)子或中子里面有三個夸克，這三個夸克有兩種，一種叫上夸克（u）一種叫下夸克（d）。剩下四種在自然界中少得可憐，不像u和d那樣一抓一大把，而且都是廣東人說的衰仔，不穩(wěn)定，壽命很短，剛生成出來沒多久，就一命嗚呼，衰變成別的東西了。這剩下的四種夸克，分別叫strange（s），charm（c），bottom（b），top（t）。這b和t有過一個時期有人叫它們beauty和truth。有個教授上課說：“We will talk a lot about up and down strange beauty, but not much truth'，當(dāng)然這只是一個在高能物理學(xué)界口耳相傳的笑話，不知道是不是因為這個，b和t改的名。從圖1里你可以看到它們的位置。

圖1，基本粒子。圖片來源：Wikimedia

我們現(xiàn)在知道的基本粒子還有電子（e），繆子（μ）,陶子（τ）以及它們對應(yīng)的中微子（νe, νμ, ντ），這六個叫輕子。前幾天（2016年4月2日）很多人看了高能所王貽芳所長在中央電視臺《開講啦》節(jié)目里的演講，他談到構(gòu)成我們這個宇宙有12種磚頭，指的就是這6種夸克和6種輕子。

此外，圖中還有一些玻色子，它們的功能是傳遞各種作用力，其中我們比較熟悉的一種叫光子（γ），它傳遞的是電磁作用力。另外，幾年前發(fā)現(xiàn)的那個希格斯玻色子（H），在圖的右上角。

我們知道，有四種夸克在自然界里很不容易見到，所以就得通過粒子碰撞把它們造出來研究，可以說，天下高能物理實驗一大撞。怎么撞呢？先把質(zhì)子或者電子用加速器加到很高的能量，然后用這些高能粒子去打靶，撞擊靶子里的夸克，這叫固定靶實驗。也可以讓兩束高能粒子迎頭對撞，這叫對撞機實驗。這么一撞，夸克呀，希格斯玻色子呀，這些新的物質(zhì)很有可能就產(chǎn)生出來了。

圖2，固定靶實驗和對撞機實驗

這是無中生有嗎？不是，這些新的物質(zhì)并不是憑空產(chǎn)生的，您不是見過愛因斯坦在黑板上寫的公式E=mc²嗎？這公式的意思是說物質(zhì)可以變成能量，能量也可以變成物質(zhì)。這些粒子碰撞前都帶了很高的能量，撞了之后，這些能量就變成了新的物質(zhì)粒子。

這些新的粒子，夸克呀，希格斯玻色子什么的，我們?nèi)匀豢床灰?。不過剛才說了，它們壽命很短，很快就衰變成別的東西了，這些衰變產(chǎn)物向周圍四散飛奔，打到周圍的探測器，我們就可以看到新粒子了。

天下高能物理實驗，多半都是讓粒子之間來那么一大撞，這一大撞，又涉及到另外一大撞，就是撞大運。

你用粒子去打靶，那靶子看著是鋁板一塊或者銅板，金板，碳板，塑料板一塊，但實際上中間非?？?，我們加速了粒子，要去撞原子核，可原子核在物質(zhì)里隔著很遠才有那么一小坨。就像一望無際的草原上，隔著很遠才有那么一顆樹。粒子飛過靶子就像兔紙跑過草原，絕大多數(shù)都會囫圇個兒地跑過去，不會撞樹。碰巧有的撞了樹，你就可以探測碰撞后的產(chǎn)物，從中分析微觀世界里粒子之間的相互作用。所以，高能物理實驗，尤其是固定靶實驗，可以用一句詩概括：“守株待兔覓毛皮”。

此時可能會有人說：“我以為高能物理多么高大上呢，敢情就是瞎貓碰上死耗子”。恭喜您，總結(jié)得確切。還記得數(shù)學(xué)里有個概率論吧，那就是專門研究瞎貓碰上死耗子的學(xué)問。概率論告訴我們，只要瞎貓數(shù)量大，碰上死耗子這樣的小概率事件也會時有發(fā)生。

正因為碰撞的概率低，為了提高碰撞事例的發(fā)生率，就要用每秒幾百萬幾千萬的粒子來打靶，也就是說需要束流有很大的強度。兔子多了，守株待兔才能在有限的時間內(nèi)覓到足夠多的毛皮，也就是數(shù)據(jù)。這對筆者的直接收益是，在變得太老之前做出了實驗結(jié)果，寫出論文，拿到了博士學(xué)位。

而在對撞機實驗里面，不但兩個束流的粒子個數(shù)要多，還得讓它們聚焦在盡量小的橫截面積內(nèi)對撞，也就是說需要束流有盡量高的亮度。

這就產(chǎn)生一個問題：加速一束粒子已經(jīng)夠麻煩的了，為啥還要自找麻煩，加速兩束粒子，還要聚焦成很細的束流，還要把它們調(diào)成迎頭對撞？這主要是為了使粒子的動能中，能有較大的比例用來生產(chǎn)新的物質(zhì)。中學(xué)學(xué)過的動量守恒定律沒有還給老師吧？兩個動量相同，方向相反的運動粒子，它們兩個的總動量是零。當(dāng)它們相撞結(jié)合在一起，其結(jié)合體有可能完全靜止。就像您和多年未見的有情人相見，兩人激動地張開雙臂跑到一起相擁，相擁后的結(jié)合體是靜止的。這樣一來，兩個粒子的動能就可以充分地用來產(chǎn)生新的物質(zhì)。反之，如果一個粒子碰撞固定靶中的另一個不動的粒子，它們的總動量不是零，碰撞后，總要有一些粒子繼續(xù)保持向前飛，占用一部分動能，而可以用來產(chǎn)生新物質(zhì)的能量就沒有那么多了。所以，讓質(zhì)子或者電子對撞還是非常有必要的。

質(zhì)子和電子對撞，各有什么優(yōu)缺點？

首先，我們比較一下這兩種加速器的能量。通常質(zhì)子加速器的能量可以做得比較高，而電子則不容易加速到很高的能量。

前面說了，兩束粒子對撞之后，大部分粒子都囫圇個地飛了過去，沒有參與碰撞。所以，大部分加速器都是用一連串的磁鐵，讓粒子一點兒一點兒地拐彎，最后沿著一個圓周繞回來。這些粒子繞回來后，下一圈還要接著用。什么？粒子為什么會拐彎？還記得洛倫茲力嗎？帶電粒子在磁場中運動，會受到與運動方向垂直的洛倫茲力，使它拐彎。帶電粒子在磁場中拐彎，它速度的大小沒有變化，但它的運動方向變了。帶電粒子有這么一個特性，只要是經(jīng)歷了加速運動，不論是變快變慢還是方向改變，它周圍的電磁場就會變成電磁波。電磁波輻射出去會帶走一些能量，使運動粒子的動能減少。這種在同步加速器里見到的電磁波輻射，叫同步輻射。

同步輻射的強度和粒子質(zhì)量的4次方成反比。質(zhì)子的質(zhì)量大約是電子質(zhì)量的2000倍，所以在條件相同的情況下，電子加速器產(chǎn)生的同步輻射比質(zhì)子加速器的要強大約16x10¹²倍。

這就是為什么電子加速器的能量很難做得很高。電子在在加速器里轉(zhuǎn)圈，每次經(jīng)過加速單元時，都會得到一些能量。但每次遇到磁鐵拐彎時，它的能量都會損失一點。當(dāng)每圈增加的能量與損失的能量平衡時，電子的能量就不再繼續(xù)增加了。

相反，質(zhì)子的同步輻射相對比較小，因此可以做出能量較高的加速器。

既然電子加速器的能量很難做得很高，為什么還要建造電子加速器呢？有兩個原因：一是電子比較容易從金屬里頭弄出來，數(shù)量多，因此電子加速器可以把亮度做得比較高。另外，更重要的是正負電子對撞機里的對撞事例比較“干凈”。

“干凈”是什么意思呢？其實這是一個對撞產(chǎn)物多還是少的問題。在正負電子對撞機里，一個負電子束流和一個正電子束流對撞。負電子就是普通電子，正電子是負電子的反物質(zhì)。電子和正電子在我們考慮的能量/動量范圍內(nèi)可以看成是一個點。它們對撞之后，可以把它們的全部能量都變成物質(zhì)粒子。

而質(zhì)子則不一樣。質(zhì)子里面有三個夸克，而且這三個夸克不是老老實實地呆在一起，它們在質(zhì)子里面還會來回運動。這樣一來，當(dāng)兩個質(zhì)子相碰撞時，很少會出現(xiàn)三個夸克和另外三個夸克同時相撞的情況，而更多的情況下，是不定哪兩個處在什么運動狀態(tài)的夸克相撞。就像一個兔子向前運動的耳朵和另一個兔子向上運動的前腿相撞那樣。于是對撞之后可以產(chǎn)生物質(zhì)的能量會有很多可能，產(chǎn)生的粒子也會五花八門。因此相對來說，質(zhì)子對撞機里的事例要“臟”得多。

“臟”這個字還可以換成一個褒義詞，叫做“品種豐富”。質(zhì)子加速器多用于發(fā)現(xiàn)新的粒子，因為新粒子沒有發(fā)現(xiàn)前，誰也不知道它的確切質(zhì)量，于是可以用質(zhì)子對撞，從而產(chǎn)生品種豐富的粒子，然后從數(shù)據(jù)里慢慢尋找以前沒有見過的毛皮。

而在正負電子對撞機里，可以把束流能量調(diào)到與想產(chǎn)生的粒子質(zhì)量一致，這樣就可以產(chǎn)生大量的這種粒子，而很少產(chǎn)生別的粒子，從而對這種粒子的性質(zhì)進行精確測量，深入研究。

除了這些比較正經(jīng)的實驗，高能物理中還有不少很奇葩的實驗，這些實驗并不直接發(fā)現(xiàn)新粒子，但對于認識微觀世界內(nèi)的物質(zhì)相互作用很重要。而這一類實驗往往是用固定靶的方式來做的，以后可以再介紹。

前面說的都是用加速器產(chǎn)生的粒子束流來做實驗，實際上高能物理實驗也有用宇宙射線，或者用核電廠反應(yīng)堆作為粒子源的，比如咱們高能所在大亞灣取得重要成就的中微子實驗，就是用反應(yīng)堆做中微子源的。這些實驗也都是讓粒子之間來那么一大撞。

這些微觀世界產(chǎn)生的物理現(xiàn)象，怎么觀測，怎么把數(shù)據(jù)弄到計算機里，怎么把需要的事例從數(shù)據(jù)堆里挖出來，這里面也有不少學(xué)問。大家現(xiàn)在言必稱大數(shù)據(jù)，其實大數(shù)據(jù)的鼻祖是高能物理學(xué)。我們前面說了守株待兔，真正想得到結(jié)果，還得覓毛皮，也就是數(shù)據(jù)的判選與分析。這方面的內(nèi)容，我們以后再仔細介紹。