十大不寻常的粒子探测材料

         （橡胶万岁/译）汉斯已经在黑暗的房间里等待了45分钟。这段时光十分无聊，但是他的实验需要眼睛适应黑暗的环境——因为他要数清给α粒子打在金属箔上发生偏转时的模糊闪光。

         他们的这些实验处于粒子物理学的起步阶段。

         研究粒子物理需要揭示出物质最微小的部分。实验中可能需要用上亿个加速过的粒子去撞击目标，然后观察碰撞中的产物，这就需要架设一台探测器来观测其中产生的粒子。

         如今，大型计算机和电子元件已经取代了卢瑟福和盖革艰辛的人工计数。物理学家也会用到除了金属箔之外的很多其他材料来显示粒子的踪迹，包括很难捕捉的中微子。

         1.干洗液

         物理学家雷·戴维斯（Ray Davis）有一个很棒的主意，它不但可以用来探测粒子，还可以用来干洗很多衣服。在1966年之前的几年，他得到了600吨四氯乙烯（perchloroethylene），这也是一种常用的干洗液。他把这些四氯乙烯灌注在一个探测器里。这个探测器安置在距离南达科他州布莱克山一英里左右的霍姆斯特金矿中。他想计数太阳中微子。当这种中微子穿过干洗液时，会触发可以检测到的反应。实验中记录到的中微子数量只有戴维斯计算的理论值的三分之一，不过他的四氯乙烯探测器仍然获得了成功。这个“数量对不上”的发现也提示，中微子发生了振荡，并且转化成了不同的“味”。

         2.苏联时期的弹壳

         在二十世纪四十年代，前苏联海军用特别设计的黄铜外壳弹药来武装军舰，这些炮弹在高压下也不容易变形，而且可以保存相当长的时间。五十多年之后，当欧洲核子研究中心（CERN）建设大型强子对撞机（LHC）时，他们在紧凑μ子线圈（CMS）粒子探测器上也要用到同样高品质的黄铜。用在这里的材料必须在寿命期限内承受粒子的轰击并保持稳定才行。实验室与俄国官方签署协议，将不再使用的旧炮弹壳回炉熔化，并用它们来制作CMS强子量能器。这是LHC中探测粒子撞击能量的探测器组件。

黄铜弹壳的真面目。图片来自：cms.web.cern.ch

         3.250万加仑矿物油

         费米实验室位于明尼苏达州北部的14000吨NOvA中微子探测器可能是全世界最大的独立塑料结构。填充溶液的95%是矿物油。为了把这些矿物油从路易斯安那州西南部的炼油厂运到距离芝加哥1000英里的工厂与另外11万加仑液体（注：顺便说，这里用到的另外一种物质是偏三甲苯。250万加仑和11万加仑分别相当于大约946万和42万升）进行混合，人们一共动用了108个车皮和一艘驳船。最终二者混合我们就得到了一种液体闪烁体。当中微子与液体闪烁体中的粒子撞击时会发出可测量的光。

         4.机器人制作的铝箔铅砖

         格兰萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory）的OPERA探测器捕捉中微子用到的材料还要更多一些。在意大利他们把这称为“duro”——这是一道由15万块18磅（大约8千克）重的“砖块”组成的“墙”。这些“砖块”里堆叠着铅片和对辐射敏感的胶片（它被称为核乳胶），然后用反光铝箔带裹好封装在密封容器中。当中微子撞击铅时，产生的其他粒子就会划过胶片留下一道痕迹。在胶片显影之后，这些痕迹就可用于分析。格兰萨索的11个“打砖机”机器人，它们每天可以制作750块这样的“砖块”。他们干活比研究生快，而且从不抱怨。

探测中微子的“砖墙”。图片来自：jlgoslar.de

         5.智能手机（对，做成手机应用）

         实际上，至少有两种此类应用。威斯康星大学麦迪逊分校的一位物理学家和洛杉矶创客空间（LA Makerspace）大众科学部门的主管一起开发了名为DECO的手机应用。这个教育类应用能记录手机镜头无意间拍摄到的高速宇宙射线（注：这个应用探测的目标是μ子，在运行时要将手机摄像头遮住，应用会分析拍到的照片并从中找寻μ子等粒子带来的闪光。要想收到成效，通常需要让它连续运行上24小时）。

         来自加州大学欧文分校和加州大学戴维斯分校的另外两位物理学家也开发了一个类似的应用，叫作CRAYFIS。他们的目标是征集足够多的用户，利用大量的探测设备创造一个宇宙射线探测器的网络。

         6.一个“水晶球”

         斯坦福直线加速器中心国家加速实验室在上世纪70年代修建“水晶球”（Crystal Ball）探测器时，并不是要拿它来招引灵媒。他们把超过600个碘化钠晶体（其中含有少量激活剂铊）安装在一个13.5英尺的球里，用来测量SPEAR粒子对撞机中的中性粒子。这些晶体的工作方式与NOvA探测器中的液体相似，它们把撞击释放的能量转化成可以被探测到的光。这个探测目前仍在使用，它现在位于在德国美因茨的古腾堡大学，仍在使用。讽刺的是，它的未来却是不确定的。

         

         7.南极，地下 

         当南极的企鹅低头看时，它们可能会发现86个钻入南极冰层超过1英里的洞中的几个——这是为冰立方（IceCube）实验准备的。当高能宇宙中微子撞击冰中的原子核时，产生的簇射粒子会发出被称作切伦科夫光的蓝色闪光（更多阅读：切连科夫辐射是怎么一回事？）。科学家使用超过5000个独立探测器组成阵列，在冰洞中穿成串，来寻找这些闪光。

         8.南极，天上

         如果企鹅抬头看天，它们还有可能看到南极脉冲瞬态天线（Antarctic Impulsive Transient Antenna，简称ANITA）正乘着大型科学气球漂浮在它们头顶。ANITA可以接受来自冰层之下的电波。纯净的极地冰层是上好的阿斯卡莱恩效应介质。该效应在2000年时被实验观测到。宇宙中微子就像在冰立方实验中产生闪光一样，会在穿过冰层时产生特殊的电波信号。漂浮在空中的、探测这些电波的天线十分灵敏，它甚至可以探测到相距400英里（644千米）之外的手持无线电设备。

         9.改造火星大气的候补成员

         如果我们能改造火星大气，让火星上的平均气温从-60℃上升到对人类更友好一些的程度，那么我们的后代或许就能够在这里欣赏壮丽的日落了。为了实现这一目标，一些研究者选择了八氟丙烷（octofluoropropane）作为温室气体的候选。而与此同时，加拿大的地下实验室SNOLAB则在PICO实验中使用液态八氟丙烷来探测暗物质。如果一个暗物质粒子能够足够强烈地撞击一个氟原子核，就会使得过热液体沸腾，从而在腔体中产生一个可以被观察到的气泡。

         10.干冰，酒精和鱼缸

         这是一个你自己也可以动手搭建的装置，它也就是所谓的“云室”：让容器中充满过饱和蒸汽，带电粒子通过时会产生凝结核使蒸汽凝结显示轨迹。云室的发明者因此获得了1927年的诺贝尔物理学奖，而它的衍生品种们——包括上面第9条里用到的那个——在物理实验室中也有很长的应用历史，同时网上也能够找到很多DIY版本。制作的要点在于制备浓厚的酒精蒸汽，并用干冰降温达到过饱和。耐心等待，你将会抓住路过的粒子，例如宇宙μ子。它会撞进蒸汽分子当中，并在云室（鱼缸）中凝结出条状的云际

         

         插图作者：Sandbox Studio, Chicago

        （编辑：窗敲雨，审稿：章鱼喵.时见疏星）