美国科学家加速探测各种粒子

在托马斯·杰斐逊国家加速器实验室(以下简称杰斐逊实验室)的大厅A里，有一个科学迷想要的物理实验室的一切。圆柱形洞穴高24米，从地面到穹顶宽48米。中间的声音似乎在大教堂里回荡。

从高高的墙壁上看，一根银色的管子像手指一样伸向大厅的*，两个巨大的机器伸出来，它们是钢、管子、电线和电子设备的多层组合。你可以把它想象成一台大型电子显微镜的一部分，旨在找到两种最熟悉但又神秘的宇宙成分:质子和中子。该电子管携带来自加速器的高能电子束，该电子束撞击安装在房间*的目标。

大厅里的两个1400吨的质谱仪捕捉撞击发出的亚原子粒子，并追踪它们的路径和能量。20年来，杰斐逊的物理学家们一直在探索原子核，但一直未能完全破解这个秘密。然而，从今年开始，他们将“训练”一个更强大的显微镜来追踪他们的“猎物”

升级粒子加速器

带正电荷的质子和不带电荷的中子都包含三种粒子，称为上夸克和下夸克。两个上夸克和一个下夸克形成一个质子，而两个下夸克和一个上夸克形成一个中子。然而，先前的实验表明，这些价夸克只是整个故事的一小部分。核子，可能是质子或中子，实际上由大量的夸克、反夸克和胶子组成。其中，胶子可以转移强大的核力，并将夸克结合在一起。质子或中子如此分散，以至于物理学家无法准确理解一些最基本的性质，如它们的质量和自旋，是如何从这种混乱中显现出来的。

杰佛逊实验室的物理学家正在完成他们的粒子加速器——连续电子束加速器设备(CEBAF)的升级，目标是使其能量加倍，并以前所未有的精度探测质子和中子的内部结构。与位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室——欧洲粒子物理研究所(CERN)相比，杰弗逊实验室相对逊色。日内瓦是粒子物理研究的“圣地”。但它将很快成为这类核物理研究中全球关注的焦点。“这将是一个非常激动人心的项目。”法国原子能委员会的物理学家法比恩·库恩(Fabienne Kunne)表示，这项技术应该会取得巨大进步。

与粒子物理学家寻找著名的希格斯玻色子不同，杰弗逊实验室承担的任务不需要大型实验，而是由一系列测量组成。这种多样性体现在实验室的四个大厅中:包括大厅a在内的两个大厅有两个分光计，可以对其进行改造以研究特定的相互作用，而另外两个大厅包含设计用于捕捉每种相互作用的探测器。

原子核内部的混乱来自于强大力量的特殊性质。乍一看，这种力和电磁力有些相似，将原子中的电子和原子核结合在一起并产生光。没有原子，带负电的电子通过交换光子附着在带正电的原子核上，量子粒子没有质量。同样，原子核中的夸克通过交换没有质量但能传递强大力的胶子而“粘”在一起。

然而，强力比电磁力复杂得多。与被动光子不同，胶子本身可以相互交换。更重要的是，一个原子核中不仅有三个价夸克。未知的正负夸克偶也偶尔存在，它们不一定是上夸克和下夸克，但它们也可以是更重的奇怪夸克和魅力夸克。因此，每个价夸克都被大量的夸克和胶子所包围，“你能看到什么取决于探测的规模。”杰弗逊实验室的首席理论家迈克尔·潘宁顿说。

创新的超导铌腔

杰斐逊的物理学家并不是第一个看到这种困惑的人。从1967年到1975年，加利福尼亚的SLAC国家加速器实验室的物理学家使用他们的线性加速器将电子发射到原子核中，并在1968年发现了夸克。自1978年以来，欧洲粒子物理研究所的物理学家们向原子核发射了一个重但不稳定的电子“近亲”——μ子，并发现了质子的“自旋危机”。从1992年到2007年，德国电子同步加速器实验室的研究人员在他们的强子-电子环加速器中碰撞了电子和质子束。

然而，在潘宁顿看来，这些努力提出的问题和他们回答的一样多。杰佛逊实验室的物理学家认为，CEBAF加速器是完成上述任务的理想工具。CEBAF没有使用传统的环形加速器或同步加速器，但包括两个235米的直线加速器。电子绕五圈，每圈穿过一系列不同的弧。杰弗逊加速器运营部主管阿恩·弗雷伯格说，最终光束的能量范围非常窄。这种狭窄的能量分布使物理学家能够精确测量散射电子的能量和动态变化。与此同时，因为粒子束是连续的，而不是像大多数加速器那样是脉冲的，粒子碰撞最终不会聚结，这使得研究人员能够使用计时技术来筛选罕见的衰变。

杰斐逊实验室帮助开发了一种全新的技术。在加速器中，带电粒子通过使无线电波在中空的射频共振腔中撞击来获得能量。直到20世纪90年代，加速器仍然使用铜腔，但是杰斐逊实验室选择了超导铌腔。尽管它们必须在液氦中冷却到接近绝对零度，但它们只消耗铜腔能量的5%。"对于像CEBAF这样的机器，如果你使用一个铜腔，你根本负担不起电."实验室的加速器物理学家罗伯特·里梅尔说，超导腔已经成为加速器的标准配置。

在升级后的CEBAF，物理学家只需在每个线性加速器的末端真空区增加一个新的空腔，就可以将加速器能量从6吉电子伏特增加到12吉电子伏特。额外的能量对于已经在升级的加速器上批准的70多个实验来说是一个福音，特别是为物理学家提供了一个描述原子核的新维度。

追踪三维状态的粒子

在核物理中，更高的能量意味着更好的解决方案。因此，升级后的CEBAF将使物理学家能够追踪三维状态下夸克位置和动量的分布。为了达到这一目标，他们不仅需要捕获散射的电子，还需要捕获某些罕见撞击发出的其他粒子。例如，俄亥俄大学的朱莉·罗氏和她的同事将通过交换光子来关注电子和夸克之间的相互作用。然而，他们将通过使用实验室大厅a来捕获电子和光子。

追踪处于三维状态的夸克将探测到它们的旋转运动，并有助于解释原子核的自旋。不在杰斐逊实验室工作的牛津大学物理学家阿曼达·库珀·萨卡尔说，这将标志着“一个重大进步”，有助于统一物理学家对强力的理解。

至于其他与强力有关的线索，杰弗逊研究人员将寻找由夸克和胶子组成的新的奇怪粒子。物理学家只知道两种基本粒子类型——重子和介子参与强相互作用。重子包含3个夸克或反夸克，而介子由一对正负夸克组成。然而，模拟实验表明，其他组合也是可能的。被称为胶球的粒子完全由胶子组成，而“混合”介子和重子包含一个额外的价胶子。它们有不同的质量、自旋和对称性组合，并在衰变过程中出现。

位于新建d大厅的GlueX特殊探测器将寻找这些奇怪的粒子。研究人员将首先把CEBAF电子束发射到钻石单晶中，产生极化的高能光子。然后他们击中液态氢目标，产生熟悉的新粒子。监督霍尔D的物理学家尤金·丘达科夫说，如果新粒子出现，GlueX团队将研究它们的属性模式。物理学家还将探索一个长期未解的谜团:为什么孤立的质子或中子与原子核的行为不同。

升级后的CEBAF能完全解密质子和中子吗？不完全是。加速器应该非常擅长描述夸克，但是它需要比CEBAF更高的能量冲击来完全探索胶子。目前，杰斐逊研究人员希望建造第二个加速器，将质子或原子核发射到电子束中，从而增加撞击能量。(燕杰)