中的高能粒子 作者:[澳]罗杰·柯莱-第3章
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氖Ю砺奂俣ǎ庀呤且跃哂刑囟芰康姆至⑼趴椋ê罄唇凶隽孔樱┑男问讲摹Ｒ蛭锢硌Ъ乙酝际羌俣ü獾奶匦允橇模哉馊肥凳歉鲂赂拍睢０⒍亍ぐ蛩固梗ˋlbert Einstein）几乎立即指出，这种量子不仅只是数学计算上方便，光线确实是以能量包的形式存在的。它们就是光子。
从频谱一端的无线电波，到中间的可见光，直到远在另一端的γ射线，全部电磁辐射形式都能用光〃量子〃进行描述。在日常生活中，当我们利用光或无线电波时，就正是用着一个一个的单个能量包，只因为光量子非常小所以通常不需要考虑整个能量是由大量能量小包组成的。因此，从实际效果看，平常可以完全忘掉光子的存在。例如一只灯泡每秒钟发出千百亿亿个光子，似乎看到的是连续的能量流。令人感兴趣的是，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）在17世纪就曾主张光是粒子组成的概念。这一被称做〃微粒说〃的理论，在18世纪似乎已被证明光是波动现象的令人信服的实验所驳倒。到了20世纪，物理学家发现，光的某些特性常常需要当作粒子的集合，而有些特性往往需要看成连续的波动。当人们发现很自然地被看成粒子或物质团块的电子也具有波动性后，兼有粒子和波动两种特性的这种令人惊奇的事情又得到进一步的认识和理解。毫无疑问，那段时期物理学家的世界观经受到最伟大的激变之一。
那次物理学革命中的另一个组成部分就是空间和时间概念的根本修正。我们对自己相对于地球上或宇宙中的其他物体所处的位置以及空间的含义，有一种直觉的认识。当我们对于其他物体处于相对静止状态时感到舒适平静，这样的位置状态能被惟一确定。我们对于永无止息均匀前进的时间和关于时间本身也具有一种直觉的认识。但是，当物理学家们接受了本世纪初爱因斯坦的狭义相对论的冲击之后，也把这些通常的空间概念和时间概念放弃了。
狭义相对论是个带有根本性的理论，对很多物理学家来说，这个理论已成为计算物体运动与相互作用方式的日常工具。当我们与周围的日常环境打交道时，它给予我们可资利用的直观回答，对于更加极端的环境条件下的事物行为，它也能提供正确答案。这个特殊理论起码继承了不少19世纪物理学的成就。其中的方程式早就知道了，但是也有同量子概念类似的情况，那时并不理解它对物理学的根本意义。最终是爱因斯坦指明了那些方程式不仅是数学上的方便，而是空间与时间实际上结合在三维空间和一维时间构成的不能解脱的四维联合之中。更令人惊奇的是，这些空间和时间的维度能够互相转换，时间可以转换成空间，反之亦然爱因斯坦又指出，为了保留某些神圣不可侵犯的物理学原理——即能量守恒定律和动量守恒定律——有些直观概念必须放弃。质量本身不再是固定不变的而是能转变成能量。能量可以变成物质，物质也可以变成能量。能量的旧概念必须加以扩大，应当把与质量相联系的能量成分包括进来。质量与能量的这种关系，对于理解宇宙辐射的观测特性，事实上是极端重要的。
再回过头来谈威尔逊和他在物理学中的第一爱好——云雾。1894年，威尔逊在英国岛屿中最高点尼维斯峰（Ben Nevis）峰顶的一个天文台上，度过了几个星期。在那里看到的云雾现象使他着迷，打算在实验室条件下对这种现象进行研究。我们知道他在这次实验之前探讨过，把潮湿空气装进试验腔再迫使其膨胀。这个过程造成空气中水蒸气变成过饱和，并以空中形成云雾的同样方式凝结而成细雾。凝结过程通常需要有细小粒子或〃核心〃的存在，以便充当水滴形成时的种子。空气中自然包含着的尘埃颗粒平常就承担了这一任务。
威尔逊发现，如果把这种实验室制造的云雾沉到腔底，除去尘埃颗粒，则经过几次形成云雾膨胀过程之后，尘埃颗粒就全部除去，这时在缓缓膨胀后的空气中就不会再形成云雾。在实验室中进行这种现象的研究很不容易，因为随着膨胀的发生腔中空气立即冷却（正像空气烟雾剂发出的气体能使你的手指变凉一样），而随后热量由外界传进来，腔中空气又变热。威尔逊制作了一台能快速膨胀的特殊仪器，从而他可以对付热流的慢慢流入。尘埃除去以后，直到空气膨胀到至少达到1252倍，完全不见有云雾出现。在更大的膨胀后静止下来（高达1375），威尔逊看到出现了一场水滴小阵雨，在更大的膨胀后甚至没有尘粒也同样形成稠密的云雾。这便是威尔逊在尼维斯峰时最初发生兴趣的那种现象。威尔逊的注意力集中到出现稳定的雾滴阵雨的这个中间阶段。他认识到，这里肯定标志着有引起雾滴阵雨过程形成的微小核心在稳定地产生。
1895年对物理学来说是极其重要的一年。那年11月德国物理学家W·伦琴（Wilhelm Roentgen）发现了X射线。在短短几个月内全世界多次重复进行了他的观测。当时，威尔逊正在剑桥卡文迪什实验室伟大的实验物理学家J·J·汤姆逊手下工作。早在1896年年初汤姆逊就亲自用X射线做过试验。威尔逊取得汤姆逊的允许，利用他的仪器对过饱和蒸汽中所发生的效应作观察。他惊喜地看到，当空气膨胀后还同以往一样仅仅出现稳定的小阵雨时，X射线（能导致电离）立即使他的腔室中充满了浓雾。先前〃降雨〃已揭示了腔室中自然电离的存在，其中有些是由于当时未知的宇宙射线引起的。是带电的离化原子代替了尘埃颗粒充当发生凝结过程的核心。
威尔逊的兴趣一度转移到空气传导性的测定上，但是1910年左右，又回到雾滴的产生问题。这时，由于卢瑟福及其同事们的贡献，放射性的本质已经更清楚了。当时人们已经知道α射线和β射线由带电粒子构成，威尔逊向自己提出这样的问题：这种带电粒子的轨迹是否能由它们通过空气时产生的离化原子上凝结的雾滴进行跟踪呢？他为了尽量设计出产生、照亮、拍摄这种轨迹的最佳仪器设备，耗费了大量时间。在出色地完成这项设计之前，他决定无论如何先试试看，当他把X射线照射进腔室中时，获得的回报是确实看见了纤弱的轨迹。他还查看了α粒子产生的轨迹，并把照片拿给当时的α粒子专家布拉格（W。H。Bragg）看。当时，布拉格刚在不久之前出版了一部通过间接方法推断出来的展示α粒子轨迹线类型的图。实际照片和轨迹线图明显相似。
整个20世纪20年代，使用云室技术不断取得一些成功，但直到那个年代末云室技术的辉煌时期才到来。我们已经知道宇宙辐射比天然放射性的贯穿能力强大得多。关键的问题是为什么会是这样。莫非这种辐射是全新的现象，或者只是电子、α粒子和γ射线这些已熟悉粒子的更高能量形式。有一个检验办法是，把云室放进强磁场中，来观察宇宙射线通过时的轨迹变化。带电粒子在磁场中的偏转总量，随着磁场强度、粒子电荷量和极性以及粒子的动量（或能量）而变。主要的未知因素就是粒子的能量，这从轨迹的偏转情况就能估算出来。1929年，美国物理学家C·安德森（Carl Anderson）和罗伯特·密立根就建造了这样一台仪器。
这项技术的完善又经过了十年，改进工作是由英国P·布莱克特（Patrick Blackett）及其合作者完成的。决定性进展的关键在于盖革计数器和云室的联合运用。最初设置的云室是随时进行记录，不管出现的轨迹是否有意义。然而，当云室的记录由其上方的盖革计数器检测到粒子而启动时，则几乎每张照片都包含着引人入胜的事物。云室实验很快就指明，电子携带的能量高达10亿电子伏，比以往所知来自放射性的电子的能量要大1000倍。
仅这次观测就足以对这一设计尝试作出高度评价。但是最具深远影响的发现是1932年8月由安德森取得的。当时他正在加州工学院，是密立根的同事。安德森认识到［在英格兰的布莱克特和G·欧西里尼（Giuseppe Occhialini）也几乎同时认识到］，他拍摄下来的某些粒子轨迹是正电子的，它是与人们熟悉的电子完全相同但却是带着正电的孪生兄弟。这种〃反〃粒子是英国伟大的物理学家P·A·M·迪拉克（PaulA。M。Dirac）不久前刚预言过的。不过当时迪拉克认为他预言的正粒子是质子。安德森发现许多正电子是宇宙射线与原子核相互作用产生的。然而，约半年后他认识到，有时当光子（γ射线）撞击原子核时，就会产生一对粒子，包括一个电子和一个正电子。这时γ射线的能量显然直接转化成次级粒子的质量和动能，这里的质能转变正像爱因斯坦狭义相对论所指出的那样。正电子的发现和证实反粒子的存在，是物理学史上最重大的实验成果之一。γ射线的能量转化成粒子及其反粒子的过程当今称为〃对产生〃。
云室技术曾有过多方面的应用，直到近些年，仍然偶尔用到。20世纪30年代初期，在作为探索基本粒子特性的工具而使用时，或许是使用云室的全盛时期。不少实验者创造性地利用云室取得了许多重要成果。云室记录到有些粒子对看来是由电子产生的。人们认识到，在这种情况下，当电子接近原子核时首先产生一粒光子（γ射线），随后产生粒子对。电子发射光子的过程叫做〃轫致辐射〃，这是因为电子与原子核相互碰撞后，可以使电子慢下来，但仍然保有能量和动量。
请注意，我们现在已经又有了一个新的转变的可能性。当电子损失能量时能产生γ射线，随后γ射线又产生电子和正电子。虽然原始电子必须失去大部分能量，但一个粒子（电子）能变成三个粒子（两个电子和一个正电子）。原始电子的动能转化成粒子质量以及与其他粒子共享的动能。电子是质量最小的粒子。用能量单位表示电子的质量约为500，000电子伏，常写做0。5MeV（1MeV是100万电子伏的能量）。与安德森所发现的宇宙射线中许多电子的动能（好几千MeV）比较起来，这个数值是相当小的。其结果就是，单个宇宙射线电子的能量能转变成许许多多次级粒子的质量。这种轫致辐射和正负电子对产生过程的不断重复，一次又一次地把能量转变成更多的次级粒子的过程，称做级联。由于这种特定类型的级联只包含着电子（通常把正电子与电子看成同一种粒子，只是携带的电荷相反）和γ射线，通常叫做电磁级联或簇射。
宇宙射线簇射（广延空气簇射）的早期研究
1927年至1929年，在D·斯科别利兹（Dimitry Skobeltzyn）从俄罗斯访问巴黎期间，奥格尔和斯科别利兹初次发现了簇射存在的证据。之后的整个20世纪30年代，对宇宙射线在地球大气中导致产生簇射的过程进行了研究。簇射显然具有极高的能量，但似乎包含着不属于熟悉的电子、正电子和γ射线的另外组成。这种另外的成分穿透本领更强，作为次级粒子往往在隧道之中或湖泊深处检测到，并时常在云室里见到它的单独而孤立的轨迹。这种粒子必定有某种不同之处，肯定是新粒子。在尚未找到恰当称呼以前，先标以X粒子。1936年，密立根宇宙射线研究组证实，抵达地面的确实主要是两种独特的单个带电粒子群：一种是电子，另一种是X粒子。当年，该研究组的密立根和在宇宙射线研究上做出贡献的黑斯获得了诺贝尔奖，并向斯德哥尔摩致意。他评论道，这种具有高穿透本领的粒子〃虽然并非自由正电子和电子〃，很可能是一种需要进一步研究的重要物质。确实是如此。
1935年，一个十分无关的进展导致对这种粒子身份论证的错误概念。日本理论家汤川秀树（Hideki Yukawa）提出，为了说明把原子核中的粒子聚拢在一起的核力（当今已知属于强作用力）的本性，需要有一类新粒子。直到那时，还没有提出任何有关核力的有效理论。汤川秀树的理论需要存在一种质量处于电子与质子之间的粒子。就在两年之后，S·内德梅耶（Seth Neddermeyer）和安德森在宇宙射线云室实验中检验出，X粒子的质量约为200个电子的质量。于是普遍认为，这种粒子就是汤川秀树预言过的那种粒子。根据质量介于电子与质子之间的特征，取名介子。然而，我们将看到把宇宙射线中的介子也卷入强核力之中是不正确的。核力理论所需要的粒子是直到数年以后才发现的π介子。随着时间的推移，这种云室粒子重新被命名为μ介子，当今已简化为μ子。现在μ子已不再划归介子类。
奇怪的是，似乎μ子在大气中被吸收的速率比在实验室测出的被吸收速率更高。有人提出，这可能是由于μ子在通过空气时的很长路程中，某些μ子产生衰变的结果。1939年肯定了这个结论。在实验室中，当μ子的速度接近光速时，发现它的寿命（1940年罗西首先作了这种测定）很短（只有2微秒），按理推算μ子只能行进不到1千米。但实际上μ子很容易穿过好几千米厚的空气直达地面。罗西认为这正是爱因斯坦相对论的时间膨胀的例证。自从1905年狭义相对论提出以来，这还是破天荒第一次在实验上证实了时间膨胀效应。快速运动中的μ子的表观寿命所以会延长，只是因为其运动速度接近光速的缘故。
随后的重要问题是这些μ子与电磁级联是什么关系。云室中见到的μ子强度似乎并不像电磁粒子那样随高度变化。这就提示着这些μ子的起源并不受紧密束缚。P·奥格尔（Pierre Auger）和他的法国同事们觉得，观测到的电磁粒子庞大群体可能就是由高空大气中的初级粒子（假定是电子）激发出来的电磁级联的最后阶段。他们提出的图像是，因为所有粒子与本身的静止质量比较起来都具有极高的能量，致使其速度都接近光速，所以基本粒子级联的飞驰旅行几乎是同时穿过大气。另一方面，粒子在每次与空气原子或电子相互作用时，都会以杂乱的方式被推向旁边一点（由带电粒子的电场引起，故称作库伦散射），其结果是簇射向旁边扩展成一个薄盘的形状。由于这样的结构，于是就把这种现象命名为广延空气簇射（EAS）。开始曾叫做奥格尔簇射。
奥格尔和他的同事们在云室中见过这种簇射，但再大的云室也不足一米，不可能扩大到很大的范围。而像盖革计数器这种电子计数器却能水平放置成〃符合〃运行的方式，当两个或更多计数器在同一时间检测到簇射时，电子线路就能识别，这些粒子必定来自同一次簇射。间隔半米以上水平放置计数器作符合检测的实验早已做过，已看出符合率随着计数器放置间隔的逐渐增大而很快减小的现象。罗西1933年到东非作东西效应观测操作时或许已经首先见到这一效应。他曾报告说〃没有时间对这一现象再作进一步研究〃。奥格尔发现，把计数器的放置间隔一直连续增大到300米，仍做出了符合记录！当前符合率已减小了1000倍，但仍然没有显出停止的迹象。
看来簇射似乎是由来自空间的宇宙射线粒子在大气高层引发的。在地面上用盖革计数器和云室观测到的簇射，其中包含着电子、正电子和μ子。据推测，这些粒子是由宇宙射线粒子与大气原子相互作用产生的。初级宇宙射线先是与空气原子作用产生μ子，簇射中电子和正电子是随后在电磁级联中相继产生的。可是，簇射理论提到，电磁级�
