为什么粒子加速器会发生核反应？

粒子加速器

一旦反电子，或者说正电子生成并被观测到，科学家们觉得，完全可以确信反质子也必定存在。然而，单单确信是不够的，他们还想观测到一个确实存在的反质子。

不过反质子似乎在我们的周围并不存在，我们所要做的事情恐怕与发现反电子没有什么差别。它们必定会在某些类型的核反应中形成，然后被观测到，但是这说起来容易，做起来就难了。因为质子的质量是电子的1 836倍，所以我们显然可以肯定反质子的质量也是反电子的1 836倍。

科学家们通过使α粒子轰击铅壁形成了电子—反电子对，但是要形成质子—反质子对，则必须找到一种发射体，它能产生的α粒子的能量相当于完成上述任务的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。

毫无疑问，已知的宇宙线粒子具有足够的能量来完成该项任务，但是它们的数量实在太少了，要想生成反质子，其数量是远远不够的。为使宇宙线这种稀少的粒子能够在被探测到的地方确切形成一个反质子，还要等待很长的时间。

然而，到了20世纪20年代末，物理学家们开始致力于产生他们自己的高能发射体。为了达到这个目的，必须从较重的粒子开始着手研究，因为高速粒子的能量是随着它质量的增加而增加的。这就意味着至少应选择像质子那样重的粒子。作出这样的选择是很自然的，因为要想获得质子，只须从氢原子中除去外层电子即可，而要完成这项工作是没有多大问题的。当然，α粒子的质量更大一些，但它们是从氦核中获得的，而这是一种比氢稀少得多的物质，而且要想分离出氦的裸核也要困难得多。

仅仅提供质子还是不够的，还要使它们穿过电场得以加速，从而使它们运动得更快。电场愈强，质子的加速就愈明显。如果经过加速的质子能够将原子核击碎，那么就有可能发生核反应。在进行该项研究工作的初期，报纸上把能完成这种工作的装置称做原子击破器，但是这个术语过于夸张了，更严谨一些的名字应叫做粒子加速器。

世界上第一台实用的粒子加速器是由英国物理学家科克罗夫特（John Douglas Cockcroft，1897—1967)和他的同事、爱尔兰物理学家沃尔顿（Ernest Thomas Sinton Walton，1903—1995)一起于1929年发明的。他们用自己发明的粒子加速器，让高能质子轰击锂7（含3个质子和4个中子)的核，在此过程中，有一个质子撞入核内，并留在那里，从而形成铍8（含4个质子和4个中子)。然而，铍8是极不稳定的，它在大约十万亿亿分之一秒内就分裂成2个氦4核（含2个质子和2个中子)。这是第一个由加速粒子引发的核反应，为此科克罗夫特和沃尔顿共享了1931年的诺贝尔奖。

在这项伟大的发明诞生之后的几年里，人们又研制出了一些其他类型的粒子加速器。1930年，美国物理学家劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence，1901—1958)得出了一个非常有用的结论。他发现，一个普通的电场会使一个质子沿直线向前逐渐加速，并迅速穿过电场而无法再被加速。要想使质子继续加速则电场必须延伸很长的距离。

劳伦斯发明了一种方法，就是使电场不断前后翻转，从而强迫质子先沿一个曲线轨迹运动，然后再沿另一个曲线轨迹朝相反的方向运动，从而完成一个“循环”，并使质子仍完全保持在电场的范围之内。通过这种一次又一次地往返，粒子将会沿着慢慢扩大的圆圈运动。虽然随着圆圈的扩大粒子必须经过愈来愈长的距离，但是它们会逐渐加速，以保证在同样长短的时间内完成一次循环，并与不断前后翻转的电场保持同步。因此，在一个相当长的时间内粒子会保持在电场范围内，而且即使这样，装置本身也不会太大。按照这种方法，一个较小的装置就能使粒子达到意想不到的高能状态。劳伦斯把他的这种装置称为回旋加速器，并因为这项发明而获得了1939年的诺贝尔奖。

此后人们又迅速建成了更大和更强的回旋加速器。由于在加速器研制过程中采用了新设计，使电场变得更强，因而粒子运动的速度也更快。这就使得粒子沿着更加紧密的圆圈运动，而不会冲出电场，除非科学家准备让它们出去。这类质子同步加速器使粒子具有更高的能量。这就有可能建成双循环装置，在这个装置中，粒子可以沿相反的方向运动，最终迎面相撞。这样就能使以前通过单一的粒子流对一个固定物体进行撞击而产生的能量加倍。

1987年，美国开始考虑耗资约60亿美元来建造超级超导对撞机，在这种粒子加速器中，被送入的粒子将要绕着52英里（约83.683 6千米)长的轨道运动，产生的能量相当于目前最强的一种粒子加速器的10倍。（在本书的后面将会提及人们想通过这种强劲得不可思议的装置得到什么。当然，确实存在着非常特殊的宇宙线粒子，这种粒子具有的能量甚至是这种加速器产生的粒子能量的几百万倍，但是要等到这种粒子出现还需要很长的时间，可以说是守株待兔。)

早在20世纪50年代人们就已经建成了足够强大的粒子加速器，它所产生的粒子所具有的能量足以形成质子—反质子对。显然，如果用它们去撞击适当的目标，这种高能粒子就会引起各种核反应，并能产生各种类型的粒子。这时如果让这组不同种类的粒子经过一个磁场，所有带正电的粒子会偏向一个方向，而所有带负电的粒子会偏向另一个方向。最重的带负电的粒子就是预期的反质子；它的轨迹应该弯曲得最小。在离目标很远的地方，所有的粒子都会蜿蜒离开磁场，只有反质子（如果形成的话)仍在磁场中。

1955年，锝元素的发现者、如今已是美国公民的塞格雷与美国物理学家张伯伦（Owen Chamberlain，1920—2006)一起用这种方法找到了反质子，为此他们分享了1959年的诺贝尔奖。