1992年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)-多絲正比室的發(fā)明

1、1992 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)多絲正比室的發(fā)明1992 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心的夏帕克Georges Charpak, 1924）,以表彰他對(duì)高能物理探測器，特別是多絲正比室 的發(fā)明和發(fā)展。從 1959 年起,夏帕克在歐洲核子研究中心工作,這是歐洲建立在瑞士日內(nèi) 瓦州的粒子物理實(shí)驗(yàn)室。在那里,夏帕克發(fā)明了多絲正比室。這一開創(chuàng)性成果發(fā) 表于1968 年。由于他在這方面的工作,粒子物理學(xué)家才能夠把他們的興趣集中 在非常罕見的粒子之間的相互作用,這類相互作用往往可以揭示物質(zhì)內(nèi)部深層次 的奧秘。夏帕克1924年8月1日出生于波蘭,后移居法國, 1946年成為法國公民, 從1948年

2、到1959年他在法國國家科學(xué)研究中心（CNRS ）學(xué)習(xí)和工作，1955年 在巴黎法蘭西學(xué)院獲博士學(xué)位。他從1959年以后一直在瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子研 究中心工作。從1984年起，還擔(dān)任巴黎高等物理化學(xué)學(xué)院約里奧-居里教授。 夏帕克是日內(nèi)瓦大學(xué)名譽(yù)博士, 1985年成為法國科學(xué)院院士。 1989年獲歐洲物 理學(xué)會(huì)“高能與粒子物理獎(jiǎng)”。 60 年代初夏帕克參加了一些重要的物理實(shí)驗(yàn),例 如卩子磁矩的精確測量和利用n介子進(jìn)行核結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，他把注意力 集中到對(duì)粒子物理實(shí)驗(yàn)具有普遍意義的新型粒子探測器的探索上。他曾經(jīng)研究過 好幾種新型的火花室，火花室的特點(diǎn)是不必用照相方法，而是利用電流分配和脈 沖

3、延遲技術(shù)讀出粒子的信號(hào)。粒子探測技術(shù)的重大突破發(fā)生在 1968 年，這一年 夏帕克首次提出多絲正比室的研究成果。 70 年代后，夏帕克和他的合作者進(jìn)一 步把多絲正比室發(fā)展成為具有更高徑跡定位精度的漂移室。這些新型的粒子探測 器性能大大超過了以往各種探測器，使實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)迅速改變了面貌。所以可 以說，夏帕克發(fā)明多絲正比室是粒子探測器發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。從1979年 到 1989年，夏帕克和他的同事們成果累累，不斷有新的發(fā)明，特別是一種所謂 的多步雪崩室，可用于光子探測和離子輻射成像。夏帕克已于1991 年退休，但 他仍經(jīng)常到歐洲核子研究中心和其它高能物理實(shí)驗(yàn)中心訪問，指導(dǎo)工作。作為粒 子探測

4、器大師，他在同行中享有崇高的威望。下面對(duì)粒子探測器的歷史作一點(diǎn)介紹。粒子物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)和探測器的發(fā)展往往密切相關(guān)。云室可以記錄帶電粒子 在氣體中的徑跡。1927年諾貝爾獎(jiǎng)授予C.T.R.威耳遜，獎(jiǎng)勵(lì)他在云室技術(shù)改進(jìn) 方面所做的工作。云室被用于發(fā)現(xiàn)第一個(gè)反粒子正電子，由于這項(xiàng)工作，祖 籍瑞典的C.D.安德森教授被授予1936年諾貝爾獎(jiǎng)。1948年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)給了 布拉開，表彰他發(fā)展了云室技術(shù)，并用之于研究原子核和宇宙輻射。本世紀(jì) 40 和50年代在研究宇宙輻射中用了一種特殊的感光乳膠記錄帶電粒子的徑跡。鮑 威爾由于發(fā)展了乳膠技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)了 n介子，獲得1950年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。泡 室的發(fā)明使格

5、拉塞獲得1960年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這項(xiàng)發(fā)明對(duì)60年代粒子物理學(xué) 的發(fā)展有著很大的重要性。泡室中充有過熱液體，帶電粒子的徑跡上，液體沸騰， 產(chǎn)生小氣泡，一串串的氣泡可照相留影，然而，圖形頂多只能一秒拍攝一張。在 60 年代，大量新的基本粒子被發(fā)現(xiàn)，這要?dú)w功于氣泡技術(shù)。阿爾瓦雷斯由于發(fā) 展了這一技術(shù)而獲1968年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。多絲正比室有些什么特點(diǎn)呢？研究基本粒子間的反應(yīng)，可以提供粒子性質(zhì)和粒子間作用力的知識(shí)。這些反 應(yīng)通常非常復(fù)雜有時(shí)在一個(gè)反應(yīng)中會(huì)產(chǎn)生幾百個(gè)粒子。為了解釋這些反應(yīng)， 科學(xué)家往往需要記錄每個(gè)粒子的軌跡。直到 1970 年，這類記錄常用的方法是各 種照相法，圖片要靠特殊的測量器具進(jìn)

6、行分析，工作過程緩慢而又勞累。夏帕克 發(fā)明的多絲正比室很好地解決了上述困難。多絲正比室技術(shù)起源于正比計(jì)數(shù)管， 但夏帕克對(duì)其作了重大改革。經(jīng)典的正比計(jì)數(shù)器如蓋革 -繆勒管，是由一根細(xì)絲 裝在直徑約為 1cm 的管子中央構(gòu)成的。在細(xì)絲和管壁間加幾千伏的高壓。帶電 粒子穿過充氣的管子，會(huì)使氣體電離。在這個(gè)過程中，氣體的中性原子會(huì)釋放帶 負(fù)電的電子，而變成帶正電的離子。在電場的作用下，電子向管心的細(xì)絲（即陽 極）運(yùn)動(dòng)。接近細(xì)絲的地方電場非常強(qiáng)，電子大大加速，于是就有足夠的能量使 氣體游離，因而有更多的電子被釋放，這些電子又被加速，這樣就形成了電子和 正離子的雪崩。正是由于電子和離子的運(yùn)動(dòng)，引起了陽極絲

7、產(chǎn)生一電信號(hào)，給出 帶電粒子通過的信息。正比計(jì)數(shù)管確定粒子位置的精度大約是lcm,即計(jì)數(shù)管本 身的尺碼。粒子閣92-1哆絲正比室原理圉現(xiàn)在的粒子物理實(shí)驗(yàn)要求記錄粒子徑跡能夠做到高精度和大面積覆蓋，用一 層層這樣的老式正比計(jì)數(shù)管復(fù)蓋大的面積是不現(xiàn)實(shí)的，也不可能達(dá)到需要的空間 精度。突破來自夏帕克發(fā)明的多絲正比室。圖 92-l 示意性地表明了多絲正比室 的結(jié)構(gòu)原理。這種裝置由大量平行細(xì)絲組成，所有這些細(xì)絲都處于兩塊相距幾厘 米的陰極平面之間的一個(gè)平面內(nèi)，陽極細(xì)線的直徑約為十分之一毫米，間距約為 一或幾毫米。當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為，這類多絲結(jié)構(gòu)會(huì)因相互感應(yīng)等問題而不能正常 工作。夏帕克則與人們普遍的想法相

8、反， l968 年提出，每根絲都會(huì)像正比計(jì)數(shù) 管一樣地工作，并可使空間精度達(dá)到一毫米或者更小些。每根絲都能承擔(dān)極高的 粒子記錄速率，可高達(dá)每秒幾十萬次，在當(dāng)時(shí)這已是異常的高速率了。同時(shí)，多 絲正比室結(jié)構(gòu)易于做成大面積，并能以模塊方式組成所需的各種體積和形狀，適 于進(jìn)行不同規(guī)模和特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)。多絲正比室的每根絲都單獨(dú)配備一個(gè)放大器?，F(xiàn)代電子學(xué)正好可以提供能源 消耗極小的密集型放大器，這樣就使建造數(shù)萬以致數(shù)十萬的電子讀出系統(tǒng)成為可 能。這樣的裝置還有一個(gè)非常重要的好處：能夠用計(jì)算機(jī)記錄信號(hào)，并處理大量 數(shù)據(jù)。同過去以照相為主的記錄帶電粒子徑跡方法相比，新探測器成千倍地提高 了獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的速度，并能

9、最大程度地選擇出實(shí)驗(yàn)者所希望研究的事例，高效 地分析那些真正揭露物質(zhì)內(nèi)部秘密的粒子間的相互作用。早在 l968 年提出多絲正比室的同時(shí)，夏帕克就致力于進(jìn)一步發(fā)展多絲正比 室。其中一項(xiàng)就是漂移室。漂移室的結(jié)構(gòu)和多絲室基本相同，預(yù)先測定電子在氣 體中漂移速度，通過測量從粒子通過瞬間產(chǎn)生原始電離到電離電子漂移到陽極絲 產(chǎn)生電信號(hào)之間的時(shí)間間隔，由此可以確定原始電離距離陽極絲的位置。這樣就 可以大大提高測量徑跡位置的空間分辨率，達(dá)到小于0.1mm,同時(shí)保持多絲正比 室的優(yōu)點(diǎn)。這一設(shè)想由夏帕克和他的合作者以多種形式實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步推動(dòng)了實(shí)驗(yàn) 粒子物理學(xué)的發(fā)展。夏帕克1968年的發(fā)現(xiàn)帶動(dòng)了不同類型絲室的大規(guī)模發(fā)展。目前，粒子物理 學(xué)每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都要用到某種類型的徑跡探測器，這些探測器都是從夏帕克最初的 發(fā)明發(fā)展而來的。夏帕克本人一直處在這一發(fā)展的中心地位，數(shù)以千計(jì)的科學(xué)家， 包括在歐洲核子研究中心和在其它地方工作的科學(xué)家，都得益于這一發(fā)展。里希 特和丁肇中于 1974年發(fā)現(xiàn)粲夸克，并由此獲 1976 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，在他們的 工作中就使用了幾種多絲正比室。1983年，歐洲核子研究中心發(fā)現(xiàn)中間玻色子， 也用到了多絲室。從80年代中期開始，夏帕克積極地從事把多絲正比室這一系 列探測器推廣到粒子物理學(xué)以外的領(lǐng)域，使高能物理的技術(shù)成果直接為人類謀 福。在他的指導(dǎo)和參與下，這一技術(shù)已經(jīng)有效地運(yùn)用到幾