科学之谜|便携式粒子对撞机

自加速器发明以来,为了让粒子获得更高的能量,大型化是其发展趋势,以至于今天,欧洲大型强子对撞机创下了历史纪录。不过,未来的加速器也许不用造得那么庞大了。

许多人都知道,当今世界上最大、最复杂的机器是位于瑞士日内瓦的欧洲大型强子对撞机。这个欧洲发达国家联合制造的庞然大物,埋在周长27千米的地下隧道里,从设计到竣工耗时20多年,花费了近90亿美元。

这台机器是为了寻找一种叫“希格斯”的粒子而造的。理论家预言,希格斯粒子质量非常大,为了找到这种粒子,科学家不得不造这么一台大家伙,把两束质子加速到光速的99.9999991%(在这种情况下,质子的质量是其静止质量的7000倍),然后让它们迎头碰撞。如果希格斯粒子存在,它就可能在碰撞产生的碎片中被找到。

强子对撞机已经建成投入使用快三年了,可至今还没有找到新粒子。最近,还有不好的消息传来:即使希格斯粒子存在,也可能已经超出大型强子对撞机所能达到的能量范围之外……这意味着,要产生希格斯粒子,目前的这台强子对撞机还嫌不够大!

其实,不仅大型强子对撞机这样的高能加速器,就是一些用于研究分子、原子的低能加速器,其体积也相当庞大,动辄占据一幢建筑。

那么,加速器就不能造得小一点吗?当初计算机刚造出来时,体积也非常庞大,现在却微型化到可以拿在手上,为什么加速器就不能呢?

这个梦想在以前几乎是不可企及的,但近年来随着一种叫等离子加速器的研制,让人感到我们离实现这个梦想不太遥远了。未来,一台加速器也许一张台球桌就可以摆得下。

加速器为何越造越大?

要想知道等离子加速器为何可以让加速器小型化,我们需要先来了解一下为什么传统的加速器体积总是那么庞大。

取两块金属板,以一定的间距平行放置,通上电,在两板之间就建立了均匀电场。如果在两块板上各挖一个能相互对准的小孔,让一个带正电的粒子从负极板的孔中射入,在电场作用下,它将运动得越来越快;当它从正极板的小孔飞出时,如果紧跟着又飞进另一个平行板电场,它将再次被加速……带电粒子每次获得的能量取决于两平行板之间的电压。

这就是传统的直线加速器的工作原理。而为了节省材料和空间,我们还可以加一个磁场,让粒子做圆周运动,然后一次次穿过两块金属板之间的电场,每穿过一次,就被加速一次,于是这就成了回旋加速器。

所以,要想让粒子获得更高的能量,把直线加速器造得尽可能长,回旋加速器造得直径尽可能大,似乎是不言而喻的。的确,加速器的发展就是这一趋势的最好印证:差不多每隔10年,加速器的能量就提高近10倍,而体积也越造越庞大,最后终于有像欧洲大型强子对撞机这样的巨无霸机器出笼了。欧洲大型强子对撞机是一台回旋型的加速器,质子要在其中绕行1700万圈,相当于走过4.5亿千米的路程,从最初的能量450GeV(1GeV=10亿电子伏特)提高到7000GeV之后,才能引出来使用。

但其实能量并不是决定加速器庞大的唯一因素。在直线加速器的例子中我们看到,带电粒子每次获得的能量取决于两块平行板之间的电压,如果我们把电压提高10倍,粒子获得的能量就相应地提高10倍;这个能量原先可能需要该粒子穿越10个同样的平行板电场才能达到,而现在只需穿越1个平行板电场就能获得;所以从理论说上,只要提高加速电场的电压,在保证输出粒子能量不变的前提下,加速器完全可以造得小些。

但问题恰恰就在于实践中加速器的加速电压不能设计得很高。还是以前面的平行板为例,如果两板之间的电压太高,电场强度太大,那么金属板中的自由电子就会被电场从金属表面拽出来,射向正极板,跟正极板上的正电荷中和,电场就迅速下降了(这叫击穿)。所以,为了避免被击穿的命运,我们只好在安全电压下,耐心一点一点给粒子加速,这样一来,就导致了今天加速器越造越大的弊病。

给加速器“瘦身”

在传统的加速器上,自由电子是一群专门捣乱的家伙,而在新型的等离子加速器上,它们却成了实现给粒子加速的生力军。

等离子体是有别于固态、液态、气态的第四类物质形态。不像空气主要是由分子、原子等中性的粒子组成的,等离子气是由带正电的离子和大量自由电子组成的。通常,一个正离子所带的电荷是一个自由电子的几倍,但自由电子的数量反过来却是正离子的几倍,两者扯平,等离子气整体呈电中性状态。

现在设想把一束脉冲电子射入等离子气中。在前进途中,脉冲电子要跟等离子气中的正离子和自由电子相互作用。由于正离子的质量通常要比电子大几千倍,所以正离子基本上“岿然不动”,但那些自由电子却被脉冲电子排斥到老远。这样,在脉冲电子瞬间所在的区域,正电荷的浓度要远大于负电荷的浓度。这相当于脉冲电子“清扫”出一片没有负电荷的“等离子泡泡”,这个泡泡整体带正电。

这个“等离子泡泡”将随着脉冲电子的运动而向前移动。在它的尾部,就像一艘快艇开过之后其尾部的水迅速合拢来一样,那些被“等离子泡泡”排斥出去的自由电子,等泡泡“开过去”之后,在那些呆在原地不动的正离子的吸引下,迅速汇集。这样一来,在“等离子泡泡”里头,汇集的是大量正离子,而在其尾部,汇集的却是大量自由电子,一个带正电,一个带负电,在两者之间,就形成了很强的电场。这个电场有多大?答案很惊人,最高甚至可以达到每米1000亿伏特的量级,这是传统的加速器望尘莫及的(假如传统加速器上的电场能达到这个量级,那么为了实现把质子加速到7000GeV的目标,我们只需造一台不到10米的直线加速器就可以了)。假如这个时候,刚好射来一束有待加速的带电粒子,在这个强大电场的作用下,就可以瞬间获得很高的能量,而这也是我们的最终目的。

在上述的过程中,我们也可以用强激光脉冲代替电子脉冲,其原理基本上是一样的。

这项技术最诱人之处在于,在一般只有几个微米尺寸的“等离子泡泡”中,就可以产生非常高的电场,而且用不着像传统加速器那样担心电压一高就被击穿。这样一来,加速器的规模就可以极大地缩小了。

等离子加速器这些年来发展非常迅速。1980年代,科学家们用这项技术才把一些电子加速到千分之一GeV的量级,到了1990年代,他们已经能够在1毫米的距离内把上百亿个电子加速到0.1GeV了。

2007年,美国SLAC国家加速器实验室的科学家创下了把电子加速到85GeV的纪录。不过他们先在3千米的传统直线加速器上给电子加速,使其达到42GeV,然后再引到只有几米长的等离子加速器上加速,最后才达到这个纪录的。但不管怎么说,在等离子加速器上获得43GeV的能量也算是创纪录了。

虽然对于粒子物理学家来说,等离子加速器目前还远远达不到他们的要求,但对于从事分子、原子研究,只跟低能加速器打交道的科学家来说,等离子加速器目前的能量基本上已经能满足他们的需要。新型加速器大概只有一手臂长,甚至可以携带在身。

其实,我们还可以沿用传统加速器的办法,让粒子在一个等离子加速器中加速后,飞到下一个等离子加速器中继续加速……这样一来,就可以把粒子的能量加速到非常非常高,甚至连目前的大型强子对撞机也望尘莫及。

到那时候,煊赫一时的强子对撞机恐怕将不得不退出历史舞台了。