高能物理学家寻找新粒子时,他们不能在试管中捕捉它,也不能用显微镜定出它的位置。他们只能看到所捕捉对象飞逝而去的信号;即粒子经高能撞击后所产生的衰变粒子的火花。为抓住信号,需要有一双既敏捷又锐利的眼睛,因为粒子在加速器里一秒内要互相撞击成千上万次。物理学家们可能要追踪上亿次碰撞才能得到他们要得到的信号。粒子物理学的成就归功于有这样一双神奇的眼睛。瑞典皇家科学院把本年度的物理学奖授予对此作出关键性贡献的法国科学家乔治 · 查派克(Gerges Chorpar)。

1968年查派克在欧洲核子研究中心(CERN)工作时,设计制作了一个“比例导线室”,这种装置不但能跟踪由高能撞击溅散的带电粒子的路径和能量,而且比以前所用的方法要快成千上万倍。自此以后,他的导线室就成为粒子探索——诸如此类实验室的设备项目的标准。得克萨斯州瓦克萨海彻的超导超级撞击实验室(SSC)的物理实验学家汤姆库克说:查派克的导线室在70年代和80年代,曾帮助物理学家两次获得大奖:诱人的夸克、W和Z粒子,这两项发现都获得了诺贝尔奖,如果下一代的加速器,即SSC以及CERN的大型强子撞击器要发现什么新粒子的话很可能是由查派克的原先发明化而来的设备所探测。

查派克研制这种导线室时,物理学家们都是用在气泡室里拍摄照片的方法,来跟踪他们的加速器所产生的粒子的。气泡室的过热液态氢,一有粒子飞逝而过,就能形成一串显示轨迹的气泡。但是这种照片一秒钟。左右才能拍一张,是跟不上不断改进的加速器的实验要求的。而且分析这些照片以了解粒子的类型和能量,也是相当慢而且费事的。查派克回忆当初情景时说:“照相方法就像个瓶颈口”。

查派克用了一个充气室,里面是带电线网络与放大器和记录仪相连接的封闭区域,以取代气泡室。由于每个粒子通过时,充气室就会作一个电子记录,这要比照相方法快得多,由此消除了“瓶颈口”。与查派克同在CERN工作过的费米实验室探测器物理学家弗拉迪米帕斯科夫说:电子记录比照片更容易解译:“充气室能立即给你分析,而且以电信号那样快的速度”。

在带电粒子快速经过充气室时,气体原子电离,释放的电子漂向最靠近的带电线。在那里电子触发一个信号一同时在邻近的电线上感应一个相反的电脉冲信号,这样很容易记下粒子经过之处。由于充气室里有许多十字交叉的电线,每个粒子触发的一组导线会在粒子路径上产生一个三维记录。柯克说 · 确实很简单,“但是与许多伟大的发明一样,人们会问,为什么我就没想到这点?”查派克说自己很惊讶其他物理学家会如此快地采用这种方法。帕斯科夫指出:回想起来,当时没有预料到该发明会产生如此强烈的反响,那时粒子加速器正在扩大以产生更多的撞击,而“电子学的水平也不错”,能迅速地编辑、分析讯号。那时正是时机,探测器的设计师们很快就着手把电线室与其他传感装置组合起来,比如与量热器组合成为巨型探测器。创造性的探测技术,使高能物理学取得突破性进展有了保证。

CERN查派克的探测器研制小组和其他致力于新装置的研究的物理学家们对扩展新技术进行了持久不懈的努力,主要成果是原装置的一个派生产物——漂移室。原先的电线室的空间精度,也就是电线的间距,局限为几微米。查派克认为,可以根据每个粒子释放的电子漂向最近的电线的已知速度,把分辨精度再提高。这一卓越的见识,导致了漂移室的产生。在漂移室里,通过分析产生粒子和记录下来的脉冲两种情况之间的时间延迟,得出更为清晰的粒子路径的图像。

查派克使物理学家不再依赖摄影照片,目前他正努力使生物学家也摆脱照片。查派克说:“打开任何一本生物学杂志,你看到的全是些用胶卷拍摄的丑陋的照片,为什么?因为我们这些物理学家还没有给生物学家们一种能定出电子位置的探测器,为了弥补这一点,查派克目前正致力于使电线室和放射性示踪凝胶相结合记录粒子的方法,以使得到更快、更清晰,而且比照片更理想的图像。

查派克的同事们,回想起他过去的成就,对于他得奖的新闻的反应是,都认为理所当然!柯克说:“我们都期待着这一天。”

[Science19921023日]