加速粒子換新招

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物理學

加速粒子換新招
加速粒子換新招

2021-09-01 鳩希(Chandrashekhar Joshi)

欲獲致劃時代的基礎物理發現,科學家或許得借助電漿與雷射,設計出前所未見的強悍粒子加速器。

▲電光一閃:在這張電腦模擬圖中,先進加速器實驗檢測設施(FACET)內部的電子與正子,經由電漿加速後進行對撞。

在20世紀初期,科學家對於組成物理世界的基本單元所知甚少。但是到了同一世紀晚期,他們不僅發現了可建構出眾多已知物質的所有化學元素,還找到一大堆用以組成人類、地球、甚至整個宇宙的更基本的粒子。而粒子加速器正是促成這項革命的利器。

粒子加速器的登峰之作,當屬2012年大強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)發現了長期找尋的希格斯玻色子(Higgs boson)。LHC位於瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究組織(CERN),是一座周長27公里的加速環,能使兩束各具七兆電子伏特(即7TeV)能量的質子對撞。它是至今最大、最複雜且號稱是有史以來最貴的科學儀器。粒子物理學中的主流理論稱為標準模型(standard model),而希格斯玻色子正是其最新一塊拼圖。可是在發現該粒子之後將近十載,LHC以及其他粒子加速器卻再也沒找到新的基本粒子。

粒子大觀園

難道科學家已經發現所有可能存在的粒子了?這必須存疑。因為粒子物理學的標準模型無法用於解釋暗物質,儘管找不到組成暗物質的粒子,暗物質在宇宙中卻很豐饒。有一項稱為超對稱(supersymmetry)的理論可用於擴展標準模型,卻預測有更多種我們從來都不知道的粒子。況且物理學家還要解答其他深刻的問題,例如空間是否有更多維度?在可觀測宇宙中正反物質的量為何如此不均?要解開這些謎團,很可能需要一座比LHC更強大的粒子加速器。

許多科學家都支持一項興建「國際直線對撞機」(International Linear Collider, ILC)的計畫,此直線加速器可以產生的對撞能量是2500億電子伏特(即250GeV)。它雖然不比LHC那麼強大,但其設計是要讓電子與正子(電子的反物質粒子)對撞,因為比起LHC裡質子的對撞,科學家預期電子與正子的對撞所產生的數據更為「乾淨」。不幸的是,能容納ILC的設施長達20公里,而造價預期會超過100億美元,高昂的造價致使至今多數國家都不願承諾建造。

於此同時,某些方案則是想經由提高偏轉質子束的超導磁鐵強度,來把藏身於隧道內的LHC對撞能量升級成27TeV。除此之外,CERN還提出一項稱為「新世代環狀對撞機」(Future Circular Collider)的計畫,這座周長100公里的電子與正子及質子與質子的對撞機,可以使質子與質子的對撞能量達到空前的100TeV。但是此計畫所需的經費至少等同於ILC,而且只增不減。就算真的要興建,還得等到2035年LHC停止運轉之後。

然而,建造這些所費不貲的巨無霸並非物理學家唯一的選項,早從1980年代起,他們便開始為對撞機的進展另闢蹊徑。其中一種是以電漿為基礎的粒子加速器,前景更是大有可為,因為與當今的粒子加速器相比,它不僅是TeV等級的對撞機,並且可能兼具巧而廉的特色。

說起粒子加速器,就要追溯到1897年英國劍橋大學的卡文迪什物理實驗室。在那裡,物理學家湯姆森(J. J. Thomson)利用桌上型陰極射線管(cathode-ray tube)製作出粒子加速器的原型,而在平面電視機問世前,每一台電視機內部都有類似的陰極射線管。湯姆森藉此發現了帶負電的電子。

物理學家利用放射性粒子來撞擊原子,很快確認了組成原子的另兩個粒子:質子與中子。到了1930年代,勞倫斯(Ernest Lawrence)發明了稱為迴旋加速器(cyclotron)的第一個環狀粒子加速器,這個手掌大小的儀器可以把質子加速到約八萬伏特。此後粒子加速器的技術突飛猛進,科學家甚至可以藉由加速帶電粒子來提升能量,用於探測原子核。這些進展找到了數以百計的次原子粒子,而粒子加速器引致的高能物理學世紀也於焉開展。在20世紀晚期的20、30年間,由於粒子加速器發出的粒子束能量急遽提升,科學家證實了這一大堆次原子粒子,僅僅是由標準模型所預測的17種基本粒子所構成。到了1990年代晚期,除了希格斯玻色子,其他基本粒子皆已在粒子加速器的實驗中發現。而希格斯玻色子最終在LHC現身,更是近代粒子物理學的巔峰成就。

粒子加速器不僅能名列科學發現史上最成功的儀器,在醫學以及日常生活中也有諸多應用。它能用於電腦斷層掃描(CT)、拍攝骨骼的X光片,以及醫治惡性腫瘤的放射性療法。它在食品殺菌上至關重要,還能用於生產放射性同位素,以供諸多的醫學測試與治療。數千位科學家和工程師在進行頂尖物理學以及生命科學的研究時,使用了X射線自由電子雷射(x-ray free-electron laser),其基礎也源自粒子加速器。

加速器基本原理

粒子加速器的形狀有兩種:環狀(同步加速器)以及直線型(直線加速器)。兩種都是藉由無線電波或微波來把粒子加速至接近光速。以LHC為例,在加速環中兩道反向運行的質子束,會反覆通過沿著加速環分佈的一連串射頻腔(radio-frequency cavity)。每個射頻腔內的無線電波會產生不斷振盪的正反電場,而適當調整振盪頻率,可確保帶正電的質子進入射頻腔內會始終受到一股往前的推力。這股推力會加速質子,從而把能量傳遞給它。當質子獲得足夠能量,磁透鏡便會把質子束聚焦到加速環上若干精準的對撞點上。當質子對撞時,會產生極高的能量密度,並創生出具有更大質量的新粒子。

可是,帶電粒子做圓周運動時會發出「同步輻射」(synchrotron radiation)。就相同的圓環半徑而言,質子這類較重粒子的能量損失較小,而這正是LHC用質子進行對撞的原因。但對電子來說,這樣的損失太龐大了,尤其是當能量增大時,所以用於電子與正子對撞的新一代粒子加速器,就得採用直線加速器,或是起碼需要增大半徑,如此一來才可藉由曲率的變小來減少電子的同步輻射。

一旦確定所需粒子束的能量,容納粒子加速器的設施大小最終取決於可以把多少無線電波的能量灌注加速結構中,但不至於引發電擊穿(electrical breakdown)現象。傳統粒子加速器都是用銅做為加速結構,而電擊穿的閾值相當於每公尺能灌注的最大能量介於2000萬~5000萬電子伏特(即20~50MeV)。科學家也用更高頻率測試了新式加速結構,並成功提升電擊穿的閾值。他們也設法改善了慣用於同步加速器及直線加速器的超導腔內的加速場強度。只要典範理念未轉變,則目前極為成功的傳統粒子加速器科技就不受擾亂,那麼這些重要進展幾乎確定都會獲得應用。

但科學家終究需要其他策略。美國能源部在1982年的高能物理計畫中啟動了一項堪屬保守的倡議,希望找出加速帶電粒子的全新方法。這項計畫引領出許多想法,而其中三種看來特別有希望。

第一種想法稱為雙束加速法(two-beam accelera-tion),利用相對常用的高電量電子脈衝在空腔中形成高頻輻射,然後把此輻射轉移到第二個空腔,以便加速第二道電子脈衝。該概念目前正在CERN的緊湊直線對撞機(Compact Linear Collider, CLIC)進行測試。

另一想法是讓緲子(電子的兄弟,但比電子重)對撞。緲子的質量較大,在圓環裡加速時,不至於像電子般發出同步輻射損失許多能量。但缺點是,緲子並不穩定,壽命只有百萬分之二秒。緲子可經由π介子的衰變來產生,而後者必須藉由很強大的質子束撞擊特殊靶材方能產生。緲子加速器其實未曾建造過,但科學家之中堅持此信念的死忠派,卻是大有人在。

最後一種想法是以電漿為基礎的加速法。此概念於1970年代由美國加州大學洛杉磯分校的道森(John M. Dawson)所提出,他主張極強雷射脈衝或一群電子所產生的電漿尾跡(wake,又稱尾流)可用來加速第二群粒子,其加速幅度比傳統粒子加速器可快上千倍、甚至萬倍。此概念後來稱為電漿尾跡場加速器(plasma wakefield accelerator)。由於原本是巨無霸的粒子加速器朝向微型化似乎變為可能,因而引起了一片騷動,正如同積體電路自1960年代起把電子產品微型化......

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