鮑威爾的核乳膠技術(shù)和威爾遜的云霧室在檢測低能粒子時很有用,但要探測和確定一些高能粒子,在技術(shù)上就要要求能在比威爾遜云室更快和更長的路徑上做出記錄,同時還要克服鮑威爾核乳膠技術(shù)中無法把中性粒子與事件準確聯(lián)系起來的困難。
1910年,威爾遜通過顯示在飽和蒸汽中運動的帶電粒子周圍的霧氣,揭示了這些粒子的徑跡。云霧室突然膨脹時,使蒸汽過飽和,液體就凝聚在帶電粒子在其運動路徑上所留下的離子的周圍。在強烈的側(cè)射光照射下就可看到這種霧,就象我們看到的在高空飛行的飛機留下的蒸氣尾跡一樣。威爾遜云霧室有著光輝的歷史,尤其是它曾顯示了第一個人工蛻變的徑跡,中子引起的反沖質(zhì)子的徑跡,正電子和簇射的徑跡等等。云霧室氣體密度低是很大的缺陷,即單位體積中含有的物質(zhì)非常少。
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格拉塞和他的泡室 |
1952年,美國物理學家格拉塞(Donald Arthur Glaser,1926-)為如何探測高能粒子的運動徑跡而冥思苦想,他往酒杯里倒啤酒時被啤酒中冒著的氣泡吸引,如果扔到杯中一個小粒子,氣泡會追隨正在粒子的運動軌跡而形成。他由此受到啟發(fā),用液體來取代威爾遜云霧室中的氣體,可使密度大約增加上千倍。他用了一種處于沸點溫度的液體,再使壓力突然降低,從而使液體處于其沸點以上的溫度,觀察在離子運動路徑上形成的氣泡。他制成了世界上第一臺泡室,在乙醚液中顯示了宇宙射線粒子的徑跡。在他成功地觀察到第一批徑跡后,他又用不同的液體進行試驗。這以后泡室開始用于高能物理研究,泡室技術(shù)得到不斷發(fā)展。氣泡室的發(fā)明是格拉塞對高能物理學做出的杰出貢獻,它為粒子物理研究開拓了新的領(lǐng)域,在原子核科學技術(shù)史上也是一個創(chuàng)舉。他因此獲得了1960年諾貝爾物理學獎。
氣泡室是一種裝有透明液體(如液體氫、氦、丙烷、戌烷等)的耐高壓容器。它是利用在特定溫度下通過突然減壓使某種工作液體在短時間內(nèi)(一般為50毫秒)處于過熱的亞穩(wěn)狀態(tài)而不馬上沸騰,這時若有高能帶電粒子通過就會發(fā)生局部沸騰,并在粒子經(jīng)過的地方產(chǎn)生大量的氣泡,從而顯示出粒子的徑跡。根據(jù)徑跡的長短、濃淡等數(shù)據(jù),便能清楚地分辨出粒子的種類和性質(zhì)。然后氣泡室又恢復至高壓狀態(tài),氣泡立即消失,這樣氣泡室可以連續(xù)使用。氣泡室容積大小從數(shù)毫升到100升,所用液體為液氫、淮氙、乙醚、丙烷等;氣泡室的壓力從1個大氣壓到幾十個大氣壓。氣泡室因密度大、循環(huán)快,所搜集到的各種信息大約是云霧室的1000倍。
氣泡室最有用的液體是液態(tài)氫,因為氫是已知的最簡單的原子。每一個氫原子含有一個原子核(它只由一個質(zhì)子構(gòu)成),還有一個孤零零的電子繞著原子核旋轉(zhuǎn)。因此,液態(tài)氫是只由一些孤立的質(zhì)子和電子構(gòu)成的。在液態(tài)氫中發(fā)生的亞原子事件就特別簡單,很容易從氣泡所組成的徑跡辨認出來,而所有其他液體的原子核,都由幾個質(zhì)子和幾個中子組成。
物理學家可以從粒子的徑跡中了解許多情況,如氣泡室放在強磁體的兩個磁極之間,效果更好(下圖)。那些能夠留下氣泡徑跡的粒子總是帶電的——帶正電或帶負電。如果它們帶的是正電,那么,在磁體的影響下,它們的路徑就會朝一個方向彎曲;如果它們帶負電,它們的路徑就朝相反的方向彎曲;從它們路徑彎曲的程度可以確定它們的運動速率,再加上徑跡的粗細等因素就能確定粒子的質(zhì)量。當一個粒子衰變成兩個以上的粒子時它的徑跡就會分叉,在粒子發(fā)生碰撞的情況下徑跡也會分叉。在一張?zhí)囟ǖ臍馀菔艺掌?,會出現(xiàn)大量徑跡。有粒子相遇的、分開的,還有分叉的。有時在一個徑跡圖形的幾個部分之間還有些空白,這些空白就要用某種不帶電的粒子來解釋,因為不帶電粒子在氣泡室中運動時不會留下可見的徑跡。物理學家從各種徑跡的復雜組合中可以辨認出所碰到的粒子類型,或者發(fā)現(xiàn)某種新的粒子。
阿耳瓦雷茨(Luis Walter Alvarez,1911-1988)與他的老師康普頓(Arthur Holy Compton,1892~1962)在芝加哥從事宇宙射線的研究中取得了一些重要成果。格拉塞發(fā)明氣泡室時,阿耳瓦雷茨很感興趣,決定建造一個規(guī)??涨暗淖M液態(tài)氫的氣泡室。這是一個很大的技術(shù)計劃,阿耳瓦雷茨組織了一大批各個領(lǐng)域的技術(shù)專家,建造了一系列的氣泡室,其大小不斷增加,最大的達72英寸。格拉塞最初的氣泡室直徑只有幾厘米,阿耳瓦雷茨最初的氣泡室為500立升,以后的氣泡室卻逐漸成了龐然大物,有的甚至直徑達到幾米,能夠容納以立方米計的液體?,F(xiàn)在最大的氣泡室直徑達幾米,裝有上萬立升的液態(tài)氫。
阿耳瓦雷茨和他的氣泡室
阿耳瓦雷茨1959年建成的72英寸氣泡室
建于上世紀70年代的、直徑3.7米、高4米的歐洲大氣泡室BEBC
氣泡室技術(shù)復雜,造價和加速器差不多,是當時研究基本粒子的最有效的工具之一。為了充分利用它們的功能,必須用半自動方式掃描成百萬張照片,掃描裝置的輸出送至計算機中進行分析。實現(xiàn)這項任務的計算機程序設(shè)計是建立該系統(tǒng)中的一項困難工作。將氣泡室和計算機連接起來能得到豐富的實驗資料,大型實驗室中取得的膠卷可分送世界各地的用戶反復研究,以期從這些原始材料中得到一些結(jié)果。由于阿爾瓦雷斯發(fā)展了氫泡室技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法,他獲得了1968年諾貝爾物理獎。
1953年,費米(Enrico Fermi,1901-1954)與同事在美國芝加哥大學的同步回旋加速器上做實驗時發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子—介子系統(tǒng)中的第一個共振態(tài)。氣泡室技術(shù)的發(fā)明,使物理學家有可能發(fā)現(xiàn)更多的共振態(tài),大大促進了粒子物理學的發(fā)展,人們首先在質(zhì)子—反質(zhì)子的湮沒中發(fā)現(xiàn)了一些共振(左圖),后來在各種反應中出現(xiàn)了幾十個、幾百個共振。上個世紀60年代,物理學家們一直在忙于尋找共振,直到今天,這項工作仍在進行。(左圖中 一對中性Λ粒子和反Λ粒子在氫泡室中產(chǎn)生和衰變的照片。圖右面的Λ衰變成一個質(zhì)子(p)和一個負π介子(π-)。左邊的反Λ衰變成一個反質(zhì)子(p-)和一個π介子(π+)。反質(zhì)子擊中液態(tài)氫中的一個質(zhì)子時,反質(zhì)子就湮滅成四個π介子)
?。ǜ吣芩萍继幹谱?資料來自科學普及出版社、三思科學、科技之光等)