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二战的钢板和弹壳是废品?科学家用来探测神秘粒子

科学探索 时间:2018-01-03 12:07 点击: 作者:大晋网-小王子
[导读]出品|大晋网科学人栏目组 翟中超 图注:二战时前苏联留下的黄铜炮弹弹壳。后来这堆弹壳纳入到欧洲核子研究委员会(Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire)紧凑渺子线圈(Compact Muon Solenoid,简称CMS)探测器实验当中。 100万枚俄罗斯炮弹弹壳帮

  出品|大晋网科学人栏目组 翟中超

  图注:二战时前苏联留下的黄铜炮弹弹壳。后来这堆弹壳纳入到欧洲核子研究委员会(Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire)紧凑渺子线圈(Compact Muon Solenoid,简称CMS)探测器实验当中。

  100万枚罗斯炮弹弹壳帮助科学家发现了希格斯玻色子(Higgs boson)。在全世界范围内,第二次世界大战遗留的武器成为物理学神秘实验的帮手。

  在上世纪90年代中期,物理学家需要大量的、性质足够强大的金属来承受紧凑渺子线圈探测器产生的巨大磁场。CMS探测器大小如同房屋,是瑞士日内瓦大型强子碰撞型加速装置上的一个粒子探测器。科学家决定选用高质量的黄铜来进行试验,但从哪才能搞到这么多黄铜呢?

  尽管俄罗斯科学界在上世纪90年代处于挣扎期,但参与到国际CMS合作的俄罗斯科学家仍然想提供自己力所能及的帮助。其中一位科学家想到坚硬的炮弹弹壳能满足探测器的需要,在其请求之下,一名俄罗斯海军指挥官同意将二战遗留下来的炮弹弹壳交给CMS项目的科学家。这些科学家进行的实验需要600吨黄铜!2009年,大型强子对撞机启动,在CMS探测器的帮助下,该装置结束了此前长达50年、耗资数十亿美元的研究,并于2012年发现了希格斯玻色子。

  证明最基本的物理定律相当耗费财力。 目前而言,搜寻基本粒子的实验可能需要花费数十亿美元,所以装置的回收利用也 很常见了,此外某些零部件也经常在机器之间交换使用。那些最初为医学成像机器而造的磁铁可以用于核物理研究。有时,战争遗留下来的装置或弹壳最后又参与到一些非常重要的物理实验当中。几位诺贝尔奖得主 借此塑造了我们对宇宙运作方式的现代性理解。

  二战遗留下许多可用之物,比如说大型战舰上数百毫米厚的钢板以及发展核武器的剩下的材料。科学家通过个人人脉或是申请政府盈余设备,还可以通过其他秘密渠道获得相应设备。多数情况下,这些零部件都是免费赠送,不过不包邮,运费得自己付哦。

  在美国,战后设备的再利用通常会用到退役舰船的钢制装甲板。舰船的钢板能抵御炮弹的攻击,而在上世纪60年代至70年代期间工作的粒子物理学家 利用这些钢板来屏蔽背景辐射。

  “物理学家需要大量高密度材料。他们想搞到这些东西而且还不能花太多钱,他们还考虑过用泥土或汽车车皮,但是想要更好地进行屏蔽一些不需要的粒子还得用钢板。”来自伊利诺伊州费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)的瓦莱丽·希金斯说道。

  天助物理学家也,这 钢板不仅廉价而且还很厚。1962年,纽约布鲁克海文国家实验室的美国物理学家利昂·莱德曼、杰克·施泰因贝格尔和梅尔文·施瓦兹可能是第一批将如此大量的战后金属纳入实验的团队之一。这三位科学家希望借此能更好地研究中微子。中微子是非常渺小又非常常见的粒子,但是大多数实验却检测不到,因为这 粒子几乎不与普通物质相互作用,可以说中微子 像鬼魂幽灵一般。

  研究这些神秘粒子的 性需要独创性的思考。物理学家认为他们可以利用布鲁克海文交变梯度同步加速器的质子束来轰击一大块目标金属铍。这将导致不同粒子的簇射。在粒子簇射和最后探测器之间放置钢板将确保只有中微子能穿过。

  除了省钱,这堆钢铁之所以能在粒子物理学研究中发挥作用还有另一个原因。这 会谈一个名词即“低背景钢”。最初是原子弹实验以及1945年广岛长崎原子弹的爆炸,接下来冷战初期也进行了核武器实验,世界各地的背景辐射水平因此都在上升。因为生产钢铁会使用到大气,所以现代钢铁受到了放射性核素的污染。而原子弹爆炸前生产的钢铁没有遭受这 核污染所以被称为低背景钢。杜克大学物理学家菲利普·巴尔博的实验中 使用了低背景钢,他还表示新产的钢通常受到了放射性钴污染。巴尔博说道“现代钢铁的放射性并不算强,但对于高精度物理实验来说还是不用为妙。”

图注:一封费米实验室的信件。这封信写于1974年,信中讨论到军舰钢板的用途。(图/费米实验室)

  低放射性对于粒子物理研究是至关重要的。而放射性又是某些物质的 性,比如说重金属 会自发放射出高能粒子。如果金属屏蔽罩的放射性太强, 可能导致实验检测出现误报,比如说新出的粒子可能来自于屏蔽罩而非实验本身。

   殊的中子束和战舰钢板帮助莱德曼及其团队获得了1988年的诺贝尔奖。莱德曼团队不仅设计了一 研究这些神秘粒子的全新方法,他们的装置还帮助科学家发现了一 全新的、被称为“μ中微子”的物质。

  “利昂一直惊讶于这一发现。这些粒子 这样出现了,我不能确切地知道他是从哪儿发现这 粒子的。”费米实验室伊利诺伊州加速器研究中心主任、利昂的前同事罗伯 ·凯普哈 说道。凯普哈 回忆起利昂曾搞到一支16英寸(406.4毫米)口径的战舰炮管并用该炮管过滤掉以错误角度移动的粒子。利昂的一个身材瘦小的研究生学生刚好可以钻进该炮管。

  “哈哈,我很难再找到‘口径’那么小的研究生了,”利昂打趣道。

  其他物理学家也意识到,他们可以在任何有需要的地方使用厚钢板将环境辐射隔离到探测器之外或者防止粒子逃离。到上世纪70年代,位于伊利诺伊州巴达维亚的国家加速器实验室(费米实验室的前称)获得了大量战时钢材用于实验屏蔽器和滤器,这些设备最终帮助科学家发现了全新的粒子。

  大量的战时舰船在物理学实验中再次重现。“利昂·莱德曼的诺贝尔获奖发现 使用了当时已经退役的密苏里号战舰的钢板,”卡洛·琼蒂和金姆在《中微子物理学和天体物理学基础》教科书中这样写道。费米实验室的采购单显示了粒子科研对重型和轻型巡洋舰钢材的大量需求,比如福尔河号、阿斯托里亚号、罗诺克号和托皮卡号舰船。

  “用的大多是舰船吃水线周围或是吃水线下方的钢盾,这部分钢板之所以这么厚是为了防备鱼雷的攻击,这样方有幸存的可能,”物理学家约翰·皮普尔斯解释道。皮普尔斯早在1971年 开始在费米实验室工作并于1989年继莱德曼之后成为实验室主任。

图注:一份军舰钢材订购单,订购量高达197吨。(图/费米实验室)

  在上世纪70年代,只要有海军军舰退役,那么能源研究和发展管理局(Energy Research and Development Administration ,简称ERDA,该机构后来和另一机构合并为美国能源部) 会通知费米实验室及相似的实验室。“费米实验室研究部门会申请对实验有用的钢板,然后美国能源研究和发展管理局 要求这些钢材要为实验保留。”一封1975年费米实验室的时事通讯报道这样写道。

  费米实验室最终获得了许多“设备”。费米实验室用于探索夸克的万亿电子伏环形粒子加速器于2011年退役,探测器的地下部分 使用了大量战舰钢材。科研人员把钢板当做滤器甚至做成磁铁。当科学家意识到他们需要更多的屏蔽装置,他们 开始把整个未使用的磁铁埋在探测器周围的土地中。“财产清册上有许多偶极磁铁,”凯普哈 说道。皮普尔斯坚定的认为把磁铁埋起来和放在仓库里是一样的。“我知道这些磁铁埋在哪儿。虽然埋起来了,但它们一直都在地下。”凯普哈 回忆起皮普尔斯的观点。

  想要移动或处理这些磁铁是颇有难度的。费米实验室粒子物理部门主任乔纳森·刘易斯解释说这些东西虽然不要钱,但光是把它们转移到实验室的轮船运费可能 很贵。而且你要记住,舰船 是靠钢盾镀层来抵御水雷的。“想要处理这些设备很难,我在车间处理这些东西时很是小心。”杜克大学巴尔博说道。“你得焊接住,而且焊接很危险,需要把金属融化掉然后再进行。但它的防弹性能的确极强,让我们继续发挥它的 长吧。”巴尔博说道。

  另一些科学家在实验中同样使用了这 钢铁但是没能取得相同的成功。“偶尔也会有钢铁含有些许放射性金属,这是含钍焊条辐射的结果,”美国太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory,简称PNNL)的物理学家、高级研究员托德·霍斯巴赫解释道。甚至有些没用放射性焊条的钢材也具有相对较高的辐射性。这 情况在霍斯巴赫的实验中尤其明显,而这些钢材 埋在南达科他州霍姆斯 克矿区地下深层。

  最终,霍斯巴赫团队转用 制品,如高质量的铜和其他金属。从根本上说,是否使用钢板既要考虑到成本,也会根据实验对背景辐射的要求。“每 情况各不相同。而如今为了满足标准低背景辐射探测系统的要求,我们一般不用原子弹爆炸前的钢材来做最内层的屏蔽。但是在外层屏蔽层或者支撑结构的部分可能会用到低背景钢。”霍斯巴赫说道。

  相关实验不只会用到战时钢板。凯普哈 的实验使用到了核武器研究剩下的铍。根据另一份1975年费米实验室的通讯显示某项目使用了来自加州导弹实验设施的冷却系统。

  布鲁克海文搜寻中微子研究小组的科学家继续着他们的研究。施泰因贝格尔搬到了欧洲核子研究委员会工作,但他仍会拜访费米实验室。施瓦兹在2006年去世了。利昂·莱德曼和他的妻子住在爱达荷州,但最近被诊断出患有痴呆症后,利昂以近80万美元的价格 掉了他的诺贝尔奖章,他需要用这笔钱支付医疗费用。

  即便是今天,战争留存的 在粒子物理实验室仍然扮演着重要的角色。巴尔博在杜克大学的实验中经常会用到奇 的金属(包括古罗马的铅),他还在杜克大学校园一座楼后面发现了许多战舰钢材。田纳西州橡树岭国家实验室的多项实验用到了这些东西。其中的相干实验 发现了中微子和整个原子核之间的相互作用,而此前科学家认为不能探测到这 作用。此外,紧凑渺子线圈探测器和俄罗斯炮弹弹壳也是个典型例子。

  对于粒子物理学家来说,谜团依然存在。是否存在全新的、我们尚未发现的基本粒子呢?我们已经发现的粒子又具体什么性质呢?为什么我们的宇宙中含有这样的粒子?这些粒子虽然无比渺小但其 性看上去又极具规则,这是随机概率的结果吗?中国和日本都计划建造新的、巨大的对撞机。欧洲核子委员会提议的大型强子对撞机( Large Hadron Collider)可能需要100公里长的隧道进行实验。你可以和人打赌,这些实验还将会用到回收部件。有些部件是战争机器,而今却上演了和平的续集。

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