高能物理学的“盛宴”是否已过？

来源：中科院高能所

撰文 | 陈缮真 意大利核物理研究院

4月29日，杨振宁先生在中国科学院大学“明德讲堂”演讲，这位97岁的物理学大咖再一次明确的反对了未来利用大对撞机进行物理研究，甚至是高能物理学的前景。 

“The party is over.” 

“盛宴已过。”杨先生说。

然而，杨先生口中的高能物理学的“盛宴”，是否真的已过了呢？而什么是“高能物理学”，什么又是高能物理学家们心心念念的对撞机呢？

在二十世纪之前，人类对于世界的运行规律的认知几乎都只停留在宏观物体和现象上。然而在十九世纪最后的几年，从伦琴发现了X射线，J. J. 汤姆孙发现电子，卢瑟福发现了α射线和β射线等实验开始，物理学家们开始专注于微观世界的物理现象。特别是二十世纪二十年代，量子力学的建立之后，物理学家们逐渐意识到，在微观的尺度上，存在着一个跟宏观很不一样的世界。这个世界的尺度如此之小，以至于物理学界们不得不借助一些特殊的实验仪器来观测其中的现象。

早期的粒子物理学研究仪器的作用通常是将微观尺度的现象放大至宏观尺度，然后再进行观测。这时期一个重要的实验仪器就是威尔逊发明的云室。云室是一种充满了过饱和蒸汽的密封空间，当微观带电粒子穿过云室时，粒子会与云室内的混合物相互作用，将其中的一些原子电离，而电离后的离子会成为云室内的过饱和蒸汽的凝结核，从而在微观带电粒子运行的轨迹周围形成雾气，进而可以被肉眼观测到。早期的粒子物理的研究目标通常都是些天然放射源以及宇宙线。1932年，安德森就是在云室中第一次发现了来自宇宙线的正电子。

安德森观测到的正电子在云室中留下的轨迹的照片。正电子从下往上运动，在磁场中穿过一层薄薄的铅板之后，改变了轨迹弯曲的曲率。轨迹弯曲的方向表明，正电子与正常电子所带的电荷相反。（图片来源：Physical Review 43 (6): 491–494）

当年对天然放射源以及宇宙线的研究虽然可行，并且得出了很多重要的成果，但通常来说这一类研究的目标都不怎么可控，粒子物理学家等到一个完美的宇宙线的事件通常要有一些运气，基本属于“靠天吃饭”。在二十世纪三十年代前后，为了更好的控制观测对象，一个更加强大的粒子物理的研究工具被发明了出来，它就是劳伦斯发明的回旋粒子加速器。回旋加速器的基本结构是两个处于磁场中的半圆D型盒，以及D型盒之间的交流电场，两个半圆D型盒上则施加有可以使带电粒子偏转的磁场。位于回旋加速器的中心处放置有一个粒子源，其发射出的带电粒子受到电场的作用被加速，在进入半圆D型盒的磁场中时，则被磁场所偏转反向，并再次进入D型盒之间的交流电场。若时间调整合适，此时交流电场的方向正好可以翻转，带电粒子则再一次被加速。如此往复很多次，带电粒子就会被加速至带有较高的能量。

劳伦斯在1930年左右于加州大学伯克利分校制作的的第一个回旋粒子加速器。（图片来源：美国劳伦斯伯克利国家实验室）