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肖健與我國宇宙線物理研究|科學史
2018-08-14 |文章来源: 宋黎明/摘编| 浏览次数:  |

  他是我國宇宙線物理的創始人之一,主持建立了我國第一個高山宇宙線觀測站;他是我國最早將現代數理統計和計算機技術引入澳客物理實驗,並將其應用到實驗設計和數據處理分析的開拓者;他畢生致力于宇宙線和澳客實驗物理研究,爲實驗物理培養了一批傑出的科學研究人才。他就是我國著名宇宙線物理學家和澳客物理學家——肖健。

  肖健先生1920年7月19日出生于长沙,1944年夏毕业于西南联大物理系,1947年获资助赴美深造,1950年回到祖国。1980年当选为中國科學院学部委员(院士),主要从事基本粒子物理实验方面的研究并取得重要成果。

  他負責籌建了雲南落雪山中國早期的宇宙線觀測站,並領導開展了宇宙線強度的觀測研究,負責磁雲室的設計與建造,負責研制了中國科學考察衛星用的第一台宇宙線探測儀器並提出了相應的觀測研究課題,組織領導了雲南高山站大雲室系統的設計、建造和調試等工作,在宇宙線粒子物理方面獲多項成果。

  今天正值肖健先生誕辰98周年紀念日,謹以這篇介紹我國宇宙線研究的文章,緬懷先生,爲祖國的實驗科學打基礎,爲祖國的科學事業創業鋪路。

我國第一個高山宇宙線實驗站

  我國的宇宙線研究大體可以分爲三個階段。

  從建國初期到1973年左右,大體可看成宇宙線研究的第一階段,側重于以雲霧室爲主要探測工具的澳客宇宙線相互作用的研究和奇異粒子的尋找。

  1954年在云南落雪山海拔3180米处建设了我國第一個高山宇宙線實驗站。安装了核物理学家赵忠尧、王淦昌从美国带回的50cm多板云室,建造了30cm磁云室。用这两个小云室探测到700多个Λ0超子和 K0s(θ0)介子事例并对它们进行了全面分析;研究了宇宙线粒子电磁簇射现象和澳客电子直接产生电子对的截面,产生了一批研究成果。

  1958年在张文裕、肖健、力一领导下,在原落雪山实验室附近9公里处海拔3220米海子头山顶上建设了新的高山宇宙线站,实验设备由三个大型云室组成,上层为靶室,中层为磁云室,下层为多板室,对单电荷粒子的最大可测动量为100 GeV/C,电离测量误差为10%,设备的总重近300吨,在当时是世界同类装置规模最大、水平最先进的仪器之一。在当时的经济条件下,能建设这样一套大云室系统,已经是很大的投入了。

  最初,大雲室的物理目標放在超過當時加速器能量(幾十GeV)的澳客物理研究上。大雲室的建造花了7年時間,到1965年建成,後因文革影響,歲月蹉跎,研究工作受到影響,到六十年代末,國際上加速器的能量已提高到與大雲室相同的量級,原定的澳客物理的研究方向已不具優勢。

  于是,研究組根據當時粒子物理前沿的熱點課題,突出了尋找誇克(我國粒子物理理論家曾稱爲層子)的研究。誇克(quark)可能具有1/3或2/3分數電子電荷,大磁雲室能夠可靠地鑒定分數電荷粒子,但是實驗中沒有找到分數電荷粒子(以後的研究表明,誇克是存在的,但是被囚禁在強子內,所以找不到),卻在1972年獲得了一個可能的重質量粒子事例。

  雲霧室(簡稱雲室)是最早的帶電粒子徑迹探測器,它裏面充滿了幹淨空氣和酒精(或乙醚)的飽和汽。其基本原理是,帶電粒子在穿過有飽和蒸汽的容器時,會使氣體電離並形成凝結核,進而形成水珠,這樣沿著粒子路徑形成的凝結水珠就顯示出粒子徑迹,通過拍照便可用于分析。

  如果在雲室外加上磁場,便會測到粒子偏轉的徑迹,從而測量粒子的動量,水珠的凝結狀況可以反映出粒子的運動速度。在雲室中放上不同物質的板做“靶”,可以研究粒子與物質相互作用的特性,拍下的照片可以把粒子的相互作用過程展現得清清楚楚。

  在宇宙線的早期研究中,雲霧室曾是最好的工具之一,雲室的局限是其尺寸和可加磁場強度的大小。隨著粒子加速器的能量逐步提高,雲室的作用就慢慢“退居二線”了。威爾遜1896年發明了雲霧室,于1927年獲得了諾貝爾物理學獎。

    图1是云南站大云室组中的磁云室拍到的一个大电磁簇射,中心区大于1GeV的电子有30多个,按原子量近似估计这个簇射的总能量在0.5 TeV以上。

图1 云南站大云室组中层磁云室测到的一个电磁级联簇射事例

  1972年測到的一個可能的重粒子事例(又稱雲南事例),事例的照片可見圖2和圖3。其中圖2a是雲室的正中全景相機拍攝的照片,圖3是左側水珠相機(只照雲室中心區域)拍攝的照片,兩個相機的放大倍數不同。

  事例包括三条径迹,互相分得很开,图2b为示意图,从左到右分别标为a,b,c,粒子a,b的电离相近,c则明显淡得多,表明其速度较低。b,c很直,在磁场中偏转小,表明它们动量很大。c粒子速度低而动量很大表明它质量很大。分析结果表明,c粒子质量下限为12GeV。考虑实验误差,c粒子质量小于1GeV(即它是质子)的可能性为千分之二。它穿过整个云室没有衰变,可能是稳定粒子,或寿命大于5 x 10-9秒。

图2a 云南事例(16580号)正面全景照片

图2b 16580号事例素描

  图3 云南事例(16580号)左侧水珠照片

  第二階段是1976年“四人幫”打倒以後,1977年全國自然科學學科規劃會議在北京召開,當時肖健和幾位前輩都已離開,一批新中國成長起來的中青年科研骨幹,走出國門、調研學習,開始了多種探測方法、多個研究方向的探索,尋找趕超國際先進水平的突破口。

  開展的項目包括:甘巴拉山高山乳膠室實驗;懷柔和羊八井廣延空氣簇射(EAS)陣列技術和實驗;大氣切連科夫光探測和甚澳客伽瑪射線天文觀測技術(興隆觀測站)和實驗;平流層科學氣球技術和空間X射線天文觀測技術和觀測;澳客宇宙線引起的水聲的探測;用固體徑迹探測器對宇宙線重核成分進行測量等等。這些項目大部分由國內多個單位合作進行,經過一段時間的努力,研究的重點逐漸明朗。

  第三个阶段大约是从上世纪90年代算起,我国的宇宙线研究开始进入了迈向国际前沿的新阶段。研究集中在中日合作 ASγ和中意合作 YBJ-ARGO 高山宇宙线实验,中意合作地下暗物质探测(DAMA)实验,以及若干卫星载空间天文项目,包括载人航天空间天文项目、AMS 国际合作项目、空间 X 射线调制望远镜项目、空间宇宙线澳客电子测量和暗物质探测项目等等。

  如今,高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)已經在四川稻城開工建設,將在探索澳客宇宙線起源以及相關的宇宙演化、澳客天體演化和暗物質的研究方面做出中國貢獻。

  (本文由澳客研究人员宋黎明摘编自《物理》2013年第1期《我国的宇宙线物理研究六十年》、《现代物理知识》1994年第3期《卓越的实验物理学 真诚的爱国者——肖健先生》。)  


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