在美国托马斯·杰斐逊国家加速器实验室（以下简称杰斐逊实验室）A厅，这里有一个科学迷想从一间物理实验室中得到的一切。这个圆柱形的洞窟从地面到穹顶有24米高，宽达48米，中间发出的声响仿佛是在一座大教堂里回荡。

从高墙上看，一根银色的管子像手指一样延伸到大厅中心，并延展出两台巨大的机器，其是由钢材、管子、电线和电子设备构成的多层集合体。你可以将它看成一台巨大电子显微镜的一部分，旨在寻找两种最熟悉但又很神秘的宇宙成分：质子和中子。管子输送的是出自一台加速器的高能电子束，而后者会撞入安装在房间中心的靶上。

大厅两台重达1400吨的质谱仪捕获撞击射出的亚原子粒子，并追踪它们的路径和能量。在20年的时间里，杰斐逊实验室的物理学家一直在撞击原子核，但未能完全破解其中的秘密。不过，从今年开始，他们会“训练”一台更加强大的显微镜追踪其“猎物”。

对粒子加速器进行升级

带正电荷的质子和不带电的中子均包含3个被称为上夸克和下夸克的粒子。两个上夸克和一个下夸克构成一个质子，而两个下夸克和一个上夸克构成一个中子。不过，之前的实验表明，这些价夸克只是整个故事的一小部分。核子——可能是质子或中子，实际上由大量的夸克、反夸克和胶子组成。其中，胶子能传递强核力，将夸克结合在一起。质子或中子是如此的散乱，以至于物理学家无法准确地弄清诸如其质量和自旋等一些最基本的属性是如何从这种混乱中出现的。

杰斐逊实验室的物理学家正在完成对其粒子加速器——连续电子束加速器装置（CEBAF）的升级，旨在使它的能量翻倍并以前所未有的精度探测质子和中子的内部结构。同粒子物理研究的“圣地”如位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室——CERN相比，杰斐逊实验室要相对逊色一些。但它即将成为这类核物理学研究全球瞩目的焦点。“这将是一个非常令人激动的项目。”来自法国原子能委员会的物理学家Fabienne Kunne表示，它应该会取得巨大的进步。

不像粒子物理学家对著名的希格斯玻色子的探寻，杰斐逊实验室承担的任务并不需要一项宏大的实验，而是由一系列测量工作组成。这种多样性表现在实验室的4个厅上：包括A厅在内的两个厅拥有两台能被重新改造用于研究特定相互作用的光谱仪，而另外两个厅包含旨在捕获每种相互作用的探测器。

核子内部的混乱来自强作用力的奇特性质。乍一看，这种力和电磁力有点像，将原子中的电子和核子“绑”在一起并产生光。没有原子，带负电荷的电子会通过交换没有质量的量子粒子——光子来依附于带正电荷的核子。同样的方式，核子里的夸克通过交换没有质量但能传递强作用力的胶子相互“黏”在一起。

不过，强作用力要比电磁力复杂得多。不像被动的光子，胶子本身能相互交换。更重要的是，一个核子内并不只是有3个价夸克。未知的正反夸克对也时有时无地存在着，而它们不需要成为上夸克和下夸克，但同样能成为较重的奇异夸克和魅夸克。因此，每个价夸克都被大量的夸克和胶子笼罩，“你能看到什么取决于探测规模”。杰斐逊实验室首席理论学家Michael Pennington表示。

创新超导铌腔

杰斐逊实验室的物理学家并不是第一批洞察这种混乱的人。从1967年～1975年，来自加利福尼亚州SLAC国家加速器实验室的物理学家利用其直线加速器向核子中发射电子，并在1968年发现了夸克。自1978年起，CERN的物理学家向核子中发射较重但不稳定的电子“近亲”——μ介子，并发现了质子的“自旋危机”。从1992年～2007年，来自德国电子同步加速器实验室的研究人员在其强子—电子环加速器中碰撞电子和质子束。

不过，在Pennington看来，这些努力引发的问题与解答的问题一样多。而杰斐逊实验室的物理学家认为，CEBAF加速器是完成上述任务的理想工具。CEBAF并未采用传统的环形加速器或同步加速器，而是包含两台235米的直线加速器。电子会绕过5圈，每圈都经过一系列不同的弧。杰斐逊加速器操作负责人Arne Freyberger介绍说，最终的光束拥有极窄的能量范围。这种狭窄的能量分布使物理学家得以精确测量一个散射电子内的能量和动力变化。同时，由于光束是持续的，而非像多数加速器的光束那样呈脉冲状，因此粒子碰撞最后并未聚成一团，这使得研究人员能利用定时技术筛选出罕见的衰变。

杰斐逊实验室帮助开拓了一项全新的技术。在加速器内，带电粒子通过使无线电波在中空的射频共振腔内产生撞击而获得能量。直到上世纪90年代，加速器还在利用铜腔，但杰斐逊实验室选择了超导铌腔。尽管它们必须在液态氦中被冷却到接近绝对零度，但只消耗了铜腔5%的能量。“对于像CEBAF这样的机器，如果利用铜腔，你根本无法负担电费。”该实验室加速器物理学家Robert Rimmer表示，超导腔已成为加速器的标准配置。

在升级后的CEBAF内，物理学家只是简单地通过在每台直线加速器末端真空区增加新的腔，实现了加速器能量的翻倍，从6千兆电子伏增加到12千兆电子伏。这些额外的能量对已获批在升级后的加速器上开展的70余项试验来说是一个福音，尤其是将为物理学家描绘核子提供新的维度。

在三维状态下追踪粒子

在核物理学中，较高的能量意味着更好的解决办法。因此，升级后的CEBAF将使物理学家得以追踪三维状态下夸克位置和动量的分布。为实现该目标，他们需要捕获的不仅是散射电子，还有从特定罕见撞击中射出的其他粒子。例如，来自俄亥俄大学的Julie Roche及其同事将聚焦电子和夸克通过交换光子产生相互作用的过程。而利用实验室A厅，他们将捕获到电子和光子。

在三维状态下追踪夸克将探测到它们的旋转运动，并有助于解释核子的自旋。并未在杰斐逊实验室工作的牛津大学物理学家Amanda Cooper-Sarkar表示，这将标志着“一个重大进步”，能帮助统一物理学家对强作用力的理解。

至于和强作用力相关的其他线索，杰斐逊实验室的研究人员将寻找由夸克和胶子构成的新的奇异粒子。物理学家只知道两种基本的粒子类型——重子和介子参与强相互作用。重子包含3个夸克或反夸克，而介子由一个正反夸克对组成。不过，模拟实验显示其他的组合也有可能存在。被称为胶球的粒子完全由胶子组成，而“混合”的介子和重子含有一个额外的价胶子。它们拥有不同的质量、自旋和对称性组合，并在衰变过程中表现出来。

位于新建D厅的GlueX专用探测器将寻找这些奇异的粒子。研究人员首先会向金刚石单晶中发射CEBAF电子束，以产生极化的高能光子。随后，它们撞入一个液氢靶，产生熟悉的和新奇的粒子。监管D厅的物理学家Eugene Chudakov表示，如果有新的粒子出现，GlueX团队将研究它们的属性模式。物理学家还将探索一个由来已久的谜团：为何孤立的质子或中子与在核子中表现得不同。

升级后的CEBAF是否将完全解密质子和中子？并不完全会。该加速器应该很擅长描绘夸克，但想要完全探明胶子需要比CEBAF更高的能量撞击。目前，杰斐逊实验室的研究人员希望建造第二台向电子束中发射质子或核子的加速器，从而提高撞击能量。（闫洁）