一个大学实验室产生了三个诺贝尔奖？

一个大学实验室产生了三个诺贝尔奖？

在物理中，如果没有高速带电粒子，我们甚至连原子的结构是什么都不清楚——自1909年开始，英国科学家卢瑟福用速度为2×107m/s的高速α粒子束轰击金属箔（α粒子散射实验），人类才逐渐揭开了原子的面纱。通过分析实验结果，卢瑟福先后发现了原子核和质子，并且预言了中子的存在。

粒子加速器能够产生很强的电磁场，通过电场力和磁场力，为其内部的带电粒子加速，产生高速、高能带电粒子。位于斯坦福大学校园里的美国SLAC国家加速器实验室，专门致力于粒子加速器的建造和高速粒子的相关研究。这座实验室自建造以来，取得了包括三项获得诺贝尔奖的重大发现在内的累累硕果！

夸克在这里被发现！

1911年和1918年，卢瑟福分别发现了原子核和质子。1932年，卢瑟福的弟子——英国科学家詹姆斯·查德威克发现了中子。至此，人类认为基本粒子（基本粒子是指人们认知的构成物质的最小或最基本的单位）就是光子、电子、质子和中子，其中的质子和中子是组成物质的最重要的粒子。但真的没有比质子和中子更小的粒子了吗？20世纪30年代产生的粒子加速器放大了人们的疑问——高速粒子相互碰撞产生了许多人类未知的粒子，这些粒子居然比质子和中子还小，而且它们的种类超过了100种，科学家们把它们与质子、中子一起称为强子。但是，这么多的粒子不可能都是基本粒子。

有科学家表示强子由更小的粒子——夸克构成。20世纪60年代初，美国科学家默里·盖尔曼就提出了夸克理论，认为质子和中子分别由3个夸克构成。夸克一共有3种，包括上夸克（u）、下夸克（d）和奇夸克（s）。但如何验证夸克的存在？很明显，我们需要将强子撞得粉碎，才能暴露出其最小的组成单位。这就需要建造更大的加速器。

于是，SLAC国家加速器实验室应运而生。SLAC国家加速器实验室（简称SLAC）位于美国加利福尼亚州斯坦福大学校园内，是美国能源部下属的国家实验室，由斯坦福大学负责运行管理。它始建于1962年，一开始它的名称是“斯坦福直线加速器中心”（Stanford Linear Accelerator Center，同样简称SLAC） ，因为当时实验室打算建造一个超级巨大的直线加速器。直线加速器，顾名思义，它提供给带电粒子前进并加速的轨道是直线型的。与此相对应的是回旋加速器，回旋加速器里面供带电粒子前进并加速的轨道是呈圆环状的，粒子绕圆心做圆周运动。

历经四年，一个长达3.2千米的世界上最大的直线加速器于1966 年建成，被称为 “世界上最直的物体”。SLAC的直线加速器能将电子加速到光速的99.9999999%（光速是物体在空间运动的极限速度），能量达到50 GeV。具有如此高能量的电子能直接将质子和中子撞个粉碎，并且将夸克完全暴露出来。

20世纪六七十年代，美国物理学家弗里德曼·肯德尔、理查德·泰勒和亨利·肯德尔利用SLAC的直线加速器做了电子碰撞质子和中子的大量实验，通过对碰撞的结果分析，以及长时间的探讨，最终在实验上证明了上（u）、下（d）、奇（s）三种夸克的存在，他们三位也因此获得了1990年的诺贝尔物理学奖。

然而，盖尔曼的夸克理论是不完善的。虽然中子和质子确实是由3个夸克组成，但夸克可不止3种，而是一共有6种——上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及顶（t）。第4种粲夸克，很快也将在SLAC内被发现。而这个夸克的发现，也诞生了一个诺贝尔物理学奖。

J粒子和τ粒子！

即使不知道J粒子是什么，很多中国人也不会对这个名字感到陌生，因为该粒子是我们所熟悉的诺贝尔奖获得者——美籍华人丁肇中先生发现并命名的。然而很多人不知道的是，几乎在丁肇中发现J粒子的同一时间，美国物理学家伯顿·里希特也发现了这种粒子，他称为ψ粒子。该粒子最终被命名为J/ψ粒子。作为J/ψ粒子的发现者，丁肇中和伯顿·里希特共同获得了1976年的诺贝尔物理学奖。令我们骄傲的是，丁肇中先生的获奖感言是用中文发表的，使得诺贝尔奖的颁奖典礼上第一次出现了“华夏之声”！

为什么J粒子如此重要？因为J粒子由1个粲（c）夸克和1个反粲（c）夸克组成。由J粒子，人们发现了第4种夸克——粲（c）夸克！后面人们又陆续发现了底（b）夸克及顶（t）夸克，夸克理论体系被逐渐完善。

里希特发现J/ψ粒子的地方，就是在SLAC内。不过他依靠的不是直线加速器，而是利用了一台于1970年起建，1972年建成并开始运行的名为“SPEAR”的正负电子加速环。正负电子加速环也叫电子环加速器（回旋加速器的一种），电子环加速器能产生正、负电子并将它们加速，然后碰撞，并产生许多怪异的结果。1974年，里希特领导的实验小组在SPEAR上开展物质与反物质（正电子就是反物质）的对撞研究。当正、负电子对撞时，它们在微小的爆炸中消失。在这一过程中，里希特小组利用复杂的探测器发现了一种以前未知的基本粒子，这就是轰动全球科学界的J/ψ粒子。

然而，SPEAR的能耐可不只是这一个诺贝尔奖，它还产生了另外一个诺贝尔物理学奖——1975年，马丁·佩尔利用SPEAR做物理实验，发现正、负电子对撞后产生了一种被称为τ子的新粒子，为此他荣获1995年的诺贝尔物理学奖。τ子属于第三代轻子，第一代轻子是1897年发现的电子，第二代轻子是1937年发现的μ介子。τ子是唯一可以衰变成强子的轻子，τ子的发现使得人类对轻子的研究又进了一步。而轻子和夸克，正是组成这个世界的基本粒子。可以说，SLAC在寻找基本粒子方面，做出了不可磨灭的贡献。

大众化的斯坦福同步辐射光源

带电粒子在接近光速的高速状态下沿弧形轨道运动时会发出电磁辐射，被称为同步辐射。很长时间以来，同步辐射一直不受科学家的欢迎，因为它消耗了加速器中的粒子的能量，影响了加速效果。但人们很快便了解到同步辐射是一种非常好的脉冲光源，它包含了从远红外到X光范围内的连续光谱，具有高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能。同步辐射可以被用来开展其它光源无法实现的科学研究——例如测定蛋白质的三维机构、测定材料中原子的电磁结构参数、动态观测分子水平上的生命活动等。

1973年，以SPEAR为基础，SLAC开始建造同步辐射光源。该同步辐射光源被命名为斯坦福同步辐射光源，简称SSRL。1977年，SSRL竣工并投入使用。在此之前，SLAC一直以粒子物理实验为主，此后，同步辐射实验成为SLAC的重要工作内容。如果说SLAC的直线加速器和电子环加速器只是供极其高端的科学研究使用的话，SSRL则非常的“亲民”，因为其应用的广泛性，它有偿开放给民间的各种研究机构、研究部门使用。SSRL一年内约有9个月为用户运行，它里面有32个实验站供来自大学、工业部门、政府实验室和国外研究机构的用户进行实验。目前，已经接近有100家美国公司使用过SSRL，并且每年用户的数量还在增加。

当然，不止直线加速器、SPEAR和SSRL，SLAC还有很多非常先进的加速器，例如电子对撞机、直线对撞机等，这些都显示了SLAC非常强大的科研实力。