储存反质子

时间:2024-06-28 16:08:04

托斯切克驯服了正电子;而在俄罗斯,巴克(Gersh Budker)决定试试能不能驯服质子和后来的反质子。质子和反质子的质量大约是电子和正电子的2000倍,所以驯服它们需要的能量也相应的大得多。

然而,只要我们能得到足够的能量,产生反质子并不困难;正如我们在前面看到的,1955年就首次获得了反质子。但是,一旦你产生了反质子,怎么储存它们却成了一个大问题。首先,用质子束轰击一块金属,在质子与金属的碰撞过程中,有二十五万分之一的概率会发生动能转化——动能通过产生一对正反质子对的方式转化成质量。这些反质子的运动速度接近光速,并向四处发散。之前人们使用的磁场可以将正电子聚焦在稳定轨道上,但是却不能控制住更狂野的反质子,它们会冲出轨道,碰撞通道壁并最终湮灭。

人类得想个办法来驯服它们,看起来得让它们减慢步伐,行话叫作“冷却”。巴克想出一个办法,使反质子穿过冷电子云。虽然电子是物质而反质子是反物质,但彼此之间非常和谐——电子只会被正电子摧毁,而反质子也只受到质子和中子的威胁。反质子的不规则振动会被渐渐磨灭,实际上是它们的能量(或者称为热量)传递给了电子。1974年,巴克成功制造并冷却了反质子,但是数量还不足以形成束流。

1979年,诺贝尔奖委员会决定将物理学奖授予格拉肖(Sheldon Glashow)、萨拉姆(Abdus Salam)和温伯格(Steven Weinberg)三人,以表彰他们将电磁场和弱力联合起来形成“电弱”力的理论。但是,当时并未证实这个理论中最重要的预言,即W 和Z 粒子的存在。在实验精神的驱使和鲁比亚(Carlo Rubbia)的支持下,欧洲核子研究中心计划要找到这两种粒子,但需要一种全新的技术——质子和反质子的高能湮灭。理论学家通过计算得出结论,在这种条件下,有可能不仅产生电磁辐射和光,还会产生W 和Z 量子束团——射线中弱力的传输介质。

鲁比亚计划利用欧洲核子研究中心的“超级质子同步加速器”(SPS),将质子和反质子按相反方向旋转加速。这是最后的战役。在它之前,欧洲核子研究中心使用的是“质子同步加速器”(PS),没有“超级”二字,比较老旧,性能一般。首先就是要将质子聚拢起来,再加速成高能束流,然后注入超级质子同步加速器中。这部分比较简单,而更大的挑战还在后面——如何加速反质子,最后将它们成功注入超级质子同步加速器中。

这个难题被荷兰工程师范德梅尔(Simon van der Meer)解决了,由此他获得了1984年的诺贝尔奖。他的想法是:当粒子沿着轨道传播时,它们穿过半圆轨道所用的时间比以光速沿直径方向穿透的信号的时间长。当粒子在轨道中运行,其自身要经过一个半圆,而发出的信号会以光速沿直径传播,因此信号的传播比粒子本身快得多。

欧洲核子研究中心将这个想法变成了现实,建造了一套小的“反质子收集器”(Antiproton Accumulator)装置,简称AA。物如其名,这套装置可以捕获反质子,并将其冷却为温顺的束流,然后聚拢、储存直到具有足够的量,再为我所用。其中就用到了范德梅尔的理念。在存储环的两边,分别有一个探测器,当束流中的反质子经过探测器时就会被探测到。测到的信号传输给计算机,计算出束流的偏离程度以及聚束所需的力度,接着将信号光速传输给储存环的另一端的电极。这个办法的高明之处在于,反质子经过半圆形轨道时,信号却走了捷径——沿直径直线传播,因此,反质子绕行所花的时间是信号的1.5倍。如果这个储存环足够大,就可以留给电子系统足够的时间用来完成计算并给出指令;后端的设备收到指令后马上动作,然后静候反质子束的到来。十亿分之一秒称为“纳秒”,一纳秒内光可以传播三分之一米(约一英尺) 。这和瑞士手表一样精确的计时,确确实实而又寓意深远。每经过两秒,质子就会从PS中出射一次,轰击靶片产生反质子。这些反质子会一起飞入反质子收集器AA,然后被冷却两秒,直到下一个脉冲反质子的到来。

AA类似于内、外两个环,它们之间通过阀门连接,阀门可以随时开启和关闭。在阀门内侧的环中,很多冷却后的反质子分支在循环运动;同时,在阀门外侧的环中,是刚到达的反质子束,正在环内进行冷却。在下一个脉冲束如约而至之前,阀门会开启,外环中已经冷却好的反质子束会被切换进内环。然后阀门关闭,下一个脉冲束进入、冷却,这个过程周而复始。

一旦反质子进入内环,范德梅尔的电信号瞬间穿过内环,然后对整个反质子束继续冷却。收集并冷却1000亿个反质子,需要超过一整天的时间。范德梅尔的方法使得我们可以得到高强度的高能反质子束流,并最终用于实验。

反质子的质量很大,因此要驯服它十分困难,但是一旦将它驯服,它蕴含的能量也会大很多。这引起了物理学家们的极大兴趣。通过质子和反质子的湮灭过程,他们可以重现宇宙大爆炸初期的临界状态。而对技术人员来说,这简直是冷却史上的一项突破,是各路好手大显神通的舞台,其中的精密电子控制技术令人叹为观止,也证明了反物质是可以被驯服的。是的,我们可以制造并驯服反质子,但这个过程很慢,需要有足够的耐心和财力,耗费高达数百万美元。