守株待兔覓毛皮——漫談高能物理實驗

題圖：高能物理中常見的對撞機通道。圖片來源：Wikipedia

編者按：

在普通人看來，高能物理研究原子水平以下的微觀世界的物質，人類看不見摸不著，幾乎是深不可測。其實，它挺實際的，發現新的基本粒子和新的物理現象都是有實驗基礎的。

撰文 | 吳進遠（美國費米國家加速器實驗室）

責編 | 陳曉雪

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很多人認為高能物理是一門抽象的學科，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，才發現高能物理其實挺實際的。

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

01

基本粒子的故事

夸克是物質的基本組成部分，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，原子核里有質子和中子，每個質子或中子裡面有三個夸克，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"，當然這只是一個在高能物理學界口耳相傳的笑話，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台《開講啦》節目里的演講，他談到構成我們這個宇宙有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，幾年前發現的那個希格斯玻色子（H），在圖的右上角。

02

高能物理實驗一大撞

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。怎麼撞呢？先把質子或者電子用加速器加到很高的能量，然後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。這麼一撞，夸克呀，希格斯玻色子呀，這些新的物質很有可能就產生出來了。

這是無中生有嗎？不是，這些新的物質並不是憑空產生的，您不是見過愛因斯坦在黑板上寫的公式E=mc^2嗎？這公式的意思是說物質可以變成能量，能量也可以變成物質。這些粒子碰撞前都帶了很高的能量，撞了之後，這些能量就變成了新的物質粒子。

這些新的粒子，夸克呀，希格斯玻色子什麼的，我們仍然看不見。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麼一大撞，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，但實際上中間非常空，我們加速了粒子，要去撞原子核，可原子核在物質里隔著很遠才有那麼一小坨。就像一望無際的草原上，隔著很遠才有那麼一顆樹。粒子飛過靶子就像兔紙跑過草原，絕大多數都會囫圇個兒地跑過去，不會撞樹。碰巧有的撞了樹，你就可以探測碰撞後的產物，從中分析微觀世界裡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：「我以為高能物理多麼高大上呢，敢情就是瞎貓碰上死耗子」。恭喜您，總結得確切。還記得數學裡有個概率論吧，那就是專門研究瞎貓碰上死耗子的學問。概率論告訴我們，只要瞎貓數量大，碰上死耗子這樣的小概率事件也會時有發生。

正因為碰撞的概率低，為了提高碰撞事例的發生率，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覓到足夠多的毛皮，也就是數據。這對筆者的直接收益是，在變得太老之前做出了實驗結果，寫出論文，拿到了博士學位。

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

這就產生一個問題：加速一束粒子已經夠麻煩的了，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新的物質。中學學過的動量守恆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。當它們相撞結合在一起，其結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，相擁後的結合體是靜止的。這樣一來，兩個粒子的動能就可以充分地用來產生新的物質。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，碰撞後，總要有一些粒子繼續保持向前飛，佔用一部分動能，而可以用來產生新物質的能量就沒有那麼多了。所以，讓質子或者電子對撞還是非常有必要的。

03

質子對撞機和電子對撞機

質子和電子對撞，各有什麼優缺點？

首先，我們比較一下這兩種加速器的能量。通常質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，兩束粒子對撞之後，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，最後沿著一個圓周繞回來。這些粒子繞回來後，下一圈還要接著用。什麼？粒子為什麼會拐彎？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。帶電粒子有這麼一個特性，只要是經歷了加速運動，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量的4次方成反比。質子的質量大約是電子質量的2000倍，所以在條件相同的情況下，電子加速器產生的同步輻射比質子加速器的要強大約16x10^12倍。

這就是為什麼電子加速器的能量很難做得很高。電子在在加速器里轉圈，每次經過加速單元時，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增加了。

相反，質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，為什麼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裡頭弄出來，數量多，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「乾淨」。

「乾淨」是什麼意思呢？其實這是一個對撞產物多還是少的問題。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。電子和正電子在我們考慮的能量/動量範圍內可以看成是一個點。它們對撞之後，可以把它們的全部能量都變成物質粒子。

而質子則不一樣。質子裡面有三個夸克，而且這三個夸克不是老老實實地呆在一起，它們在質子裡面還會來回運動。這樣一來，當兩個質子相碰撞時，很少會出現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麼運動狀態的夸克相撞。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。於是對撞之後可以產生物質的能量會有很多可能，產生的粒子也會五花八門。因此相對來說，質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」。質子加速器多用於發現新的粒子，因為新粒子沒有發現前，誰也不知道它的確切質量，於是可以用質子對撞，從而產生品種豐富的粒子，然後從數據里慢慢尋找以前沒有見過的毛皮。

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

除了這些比較正經的實驗，高能物理中還有不少很奇葩的實驗，這些實驗並不直接發現新粒子，但對於認識微觀世界內的物質相互作用很重要。而這一類實驗往往是用固定靶的方式來做的，以後可以再介紹。

前面說的都是用加速器產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，就是用反應堆做中微子源的。這些實驗也都是讓粒子之間來那麼一大撞。

這些微觀世界產生的物理現象，怎麼觀測，怎麼把數據弄到計算機里，怎麼把需要的事例從數據堆里挖出來，這裡面也有不少學問。大家現在言必稱大數據，其實大數據的鼻祖是高能物理學。我們前面說了守株待兔，真正想得到結果，還得覓毛皮，也就是數據的判選與分析。這方面的內容，我們以後再仔細介紹。

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