斯坦福直线加速器SLAC探秘

作者:白露为霜  于 2015-9-28 21:56 发表于 最热闹的华人社交网络--贝壳村

作者分类:浪迹天涯|通用分类:留学生活|已有30评论

关键词:斯坦福, SLAC, 加速器

白露为霜注:不久前Dear Husband因为一个特殊的机缘被邀请参加SLAC的一个对公众开放的活动,得以一这所著名的国家实验室的众多重要设施,也算是圆了他多年的一个心愿。

 

以光速飞行

 

人人都知道原爆威力巨大,其实比它更可怕的还有 - 当物质与反物质相遇时被称为湮灭(annihilation) 的剧烈爆炸。核反应中只有一小部分物质转变为能量,而物质与反物质在湮灭时则完全转换成能量,因此其威力要比原爆要大的多。你要是科幻片Star Trek(中文翻译为星际迷航”)的粉丝,或许知道飞船奋进号”(Enterprise)使用的就是反物质推进引擎,可以轻松地进行星际旅行。

其实反物质不只是在物理书或科幻小说中存在,在美国旧金山湾区人口最稠密的地区,在斯坦福大学,很多年来物质与反物质湮灭的事件不断地发生,这是大多数硅谷居民做梦都没想到的。280号公路是硅谷的一条大动脉,每天车流滚滚,风驰电掣。在离砂山路(Sand Hill)出口不远的地方,一束束电子或正电子在地下数十米处横穿280号公路,撞向目标 - 另一束迎面飞奔而来的粒子。

这就是著名的斯坦福线性加速器(Stanford Linear Accelerator Center, 简写SLAC)SLAC拥有世界上最长的2英里直线加速器。它使用一系列速调管(Klystron)将代电粒子加速到光速的99.9999999%,让它们相互碰撞,然后观察会发生什么事情,这就是加速器最重要的目的。

1962年,直线粒子加速器在大学西部丘陵中开始动工建设。早先被称为“M项目M取义怪物”(Monster),科学家利用它将电子加速到接近光速来进行亚原子粒子的研究。斯坦福大学将土地租给联邦政府用于建造加速器中心,并提供了脑力支持;能源部(DoE)则在财力和管理上的给予帮助。这种合作方式从1966年加速器建成一直延续至今,取得了丰硕的成果。

1968SLAC的科学家在用高能电子束轰击质子时就发现还有更小的实体存在。这项发现对当时粒子物理的观念产生了强烈冲击。后来证实这些神秘实体就是所谓的夸克”(quark)。为此,SLAC的两位研究人员和一位麻省理工的科学家共享1990年的诺贝尔物理学奖。到了1974年,斯坦福线性加速器中心的研究人员再次挖到物理学的金矿,他们使用SLAC的正负电子不对称环(SPEAR)发现粲夸克和反粲夸克(charm quark)。两年以后,SLAC的物理学家同布鲁克海文国家实验室的丁肇中共享诺贝尔奖。在1975年,斯坦福线性加速器中心的物理学家Martin Perl宣布发现了τ轻子电子的一个较重的亲戚。为此他获得了1995年诺贝尔物理学奖。

除了在科学上的发现之外,SLAC对硅谷的发展也起到过直接的作用。1974年,一群湾区的电子爱好者成立了“家酿计算机俱乐部”(Homebrew Computer Club),它在个人电脑发展的早期中起过关键性的作用。苹果创始者的史蒂夫·沃兹尼亚克(Steve Wozniak)是俱乐部最早的成员之一。俱乐部中有一位SLAC的工作人员,于是SLAC演讲厅成为俱乐部活动的地点(当时保安没有现在这么严)。沃兹和苹果的另一个创始者乔布斯曾经在俱乐部会议上试图推销他们的产品 – Apple I。未果。这段历史也展示了硅谷的独特的成功秘诀 - 学术界,工业界,科技爱好者,以及公众的水乳交融。

 

当半天的物理学家

 

作为能源部主要的国家实验室之一,SLAC平常有非常严格的安全守卫。以前定期举行的实验室游几年前也因资金问题等而被取消,这样公众几乎没有进入实验室内参观的可能。20159月,SLAC敞开大门,邀请一群科学和摄影爱好者进行了一次独特的摄影游(Photowalk),让人们有机会了解物理学家在这里做了些什么。一行18个人分为三个组,每组有2SLAC工作人员护送,全程大约为3个小时。他们参观的设施包括斯坦福同步辐射光源(Stanford Synchrotron Radiation LightsourceSSRL)直线加速器相干光源(Linac Coherent Light Source LCLS),斯坦福直线对撞机 (Stanford Linear Collider)等。

1)斯坦福同步辐射光源

你也许觉得国家实验室应该是明窗净几,一尘不染,工作人员身穿白大褂;SLAC的实验室却更像工厂的车间。科学家们大多身着随意,各种奇形怪状的仪器设备堆满这座简易房。在这里科学家利用SPEAR产生出极强的X照射各种样品来,然后测量样品如何吸收和发散X射线,确定它们的原子和分子的结构,以及物理和电子属性。SSRL进行的研究工作使得美国经济的很多方面受益,并推动了能源生产,环境整治,纳米技术,新材料,医药领域的重大进展。 数名科学家因为在这里的工作而获得诺贝尔奖。SSRL还雇佣众多的研究生和博士后,成为未来科学家和工程师的一个重要训练场所。

2)直线加速器相干光源

作为世界上最强大的X射线激光,直线加速器相干光源可以让研究者观察到原子大小的物体以及发生在不到一秒钟的万亿分之一的事件。由于这些前所未有的速度和规模,LCLS推进了在物理学,结构生物学,能源科学,化学等众多不同的领域的开创性研究。自2009年推出以来,LCLS已经吸引了来自世界各地的研究者探索普通和特殊材料的最内层的运作和性能。

3) 斯坦福直线对撞机

SLAC在近40年时间一直是世界上最长的直线加速器和最重要的正负电子对撞机。它包括在地下建造的2英里长的加速道以及其相应的地上建筑,电子源建筑,加速结束后转弯磁铁,以及斯坦福大型探测器(SLD)等建筑组成。电子同正电子(电子的反物质)低能湮灭时会产生出伽马射线,可当电子或正电子被加到很高的速度再相撞,各种古怪奇异的东西会产生出来,有时是W玻色子(W boson),有时是Z玻色子(Z boson),甚至胶子(gluon),质子。SLAC并不是最大的加速器,但它的尺寸和设计很适合产生和研究Z玻色子。

 

新的希望

 

20082SLAC终止公共的实验室游时它正在经历一次中年危机。那时对撞机的大型探测器(SLD)被关闭封存。湾区的地价和建设费用高涨已经使得建造下一代直线对撞机成为不可能的事情。同时,世界高能粒子的研究中心从美国转移到瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心 (CERN)。当时有很多人都怀疑没有加速器的SLAC还能存在下去吗?

7年以后第一次对公众开放的摄影游显示SLAC国家实验室活的好好的。它成功地从高能粒子物理转型成为高强度X射线研究工作中心。原有加速器的轨道被改用于新目的世界上最大的X射线激光源。在SLAC进行的基础研究对硅谷的生命线:新材料,清洁能源,分子生物,医药工程等有着更直接的贡献。我非常高兴地报告,年过半百的SLAC又重新焕发青春。衷心地祝愿SLAC好运,并期待着它再度开放非常受欢迎的实验室游

 

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以下照片均摄于2015年9月(SLAC做的是基础研究,没有限制级的东西)

SLAC的女博士后 Laura Schelhas

SSRL的实验室

控制房

 

Rob Moore带一个研究生在安装某设备

 

SSRL Beamline 6-2花絮:这里时间停止不动

工作人员在操作机器

实验室内一景

LCLS的控制室

工作人员讲解实验室的精密仪器

LCLS利用X射线激光照射样品

相干X射线成像(Coherent X-ray Imaging) 区域经理Matt Hayes

 

实验室内的仪器

已被封存的斯坦福大型探测器(SLD),粒子碰撞在这里发生

粒子碰撞会产生大量有害射线,巨型的防护层以保护人员的安全

废弃的SLD花絮

LCLS的精密仪器

实验室内景

LCLS实验室的巨型仪器

实验室内的仪器

实验室内花絮

SLAC加速器用的光管(light piple)

SLAC直线加速器的地上建筑 - 调速器展览馆(klystron gallery)

用来加速带电粒子的调速器

SSRL科学家Chris Tassone

 

 

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发表评论 评论 (30 个评论)

1 回复 法道济 2015-9-28 23:15
好像国会否决了建造更大加速器的预算,使美国物理研究备受打击,是这样吗?
1 回复 钓鱼城 2015-9-28 23:15
这是一个砸核桃的过程。也是一个撞大运的过程。
设备完全是非标准的,设计制作很难。
1 回复 白露为霜 2015-9-28 23:52
法道济: 好像国会否决了建造更大加速器的预算,使美国物理研究备受打击,是这样吗?
自从2011年美国关闭了费米实验室的Tevatron Collider后,美国已经没有什么还在运作的大型对撞机了。美国科学家也要去CERN做实验。
下一代比CERN更大的对撞机有好几个提案在筹划,包括在中国的,但肯定是要进行国际合作,单个国家已经无力支持这样的工程和极为复杂的配套仪器。
0 回复 白露为霜 2015-9-28 23:54
钓鱼城: 这是一个砸核桃的过程。也是一个撞大运的过程。
设备完全是非标准的,设计制作很难。
这样的仪器全世界也需要不了几台,研制的费用极高。
0 回复 meistersinger 2015-9-29 00:06
always wanted to visit this place.
1 回复 法道济 2015-9-29 00:26
白露为霜: 自从2011年美国关闭了费米实验室的Tevatron Collider后,美国已经没有什么还在运作的大型对撞机了。美国科学家也要去CERN做实验。
下一代比CERN更大的对撞机有好
美国国会否决的时间应是在几年前,当美国强盛时
1 回复 小雨点0514 2015-9-29 03:19
白露好牛!
1 回复 sissycampbell 2015-9-29 05:02
高精尖的科学技术,对一个学文的人来说是个挑战!分享白露精辟的讲解!问好!
1 回复 YHOO 2015-9-29 05:57
谢谢分享!
1 回复 十路 2015-9-29 07:00
很好的介绍,我还没有看到这么详细的近距离图片。
1 回复 专治蛋疼2 2015-9-29 08:11
弱弱的问一句,会把地球给neng坏么     
1 回复 白露为霜 2015-9-29 08:51
专治蛋疼2: 弱弱的问一句,会把地球给neng坏么        
如果人类能够大规模生产反物质,那是有可能造成大灾难。现在能造出的反物质数量还很小。
1 回复 白露为霜 2015-9-29 08:51
十路: 很好的介绍,我还没有看到这么详细的近距离图片。
谢谢。
1 回复 白露为霜 2015-9-29 08:52
YHOO: 谢谢分享!
谢谢留言。问好。
1 回复 白露为霜 2015-9-29 08:52
sissycampbell: 高精尖的科学技术,对一个学文的人来说是个挑战!分享白露精辟的讲解!问好!
问好SISSY。
1 回复 白露为霜 2015-9-29 08:52
meistersinger: always wanted to visit this place.
我也是。
1 回复 白露为霜 2015-9-29 08:53
小雨点0514: 白露好牛!
    问好小雨点。
0 回复 兰黛 2015-9-29 10:18
白老师好文章,谢谢对SLAC的介绍。
1 回复 Sc2885375 2015-9-30 00:28
美國一流大學真的是名符其實...参与国家顶级研究机会之多,哪囯能及?
美国政府並没有创新科技部门或委员会之设,但源于美国的创新科技冠绝全球。
当中國人和印度人仍然在爭論二十一世紀是谁的時候,美國已經着手规划月球基地,准備远赴火星,更在寻找另外一个宜居的星球...
1 回复 xqw63 2015-9-30 01:47
这么多零件,脑袋都大了
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