粒子物理是探索亚原子粒子性质的一个研究分支。它对技术的要求是，不论把质子和电子加速至高能，使其和物质碰撞产生新粒子的装置，还是检测并识别碰撞碎片的仪器，都应锐意求精，不断改进。在这种无休止的探索过程中，最近刚开始探索的一个新领域是全息术——用激光形成三维图像。
科研人员希望利用全息术代替一般照相，记录高能粒子轨迹，研究寿命不到万亿分之一秒的神奇粒子，从而揭开高能物理方面某些不解之谜。那么，这些只能瞬间存在的粒子有什么引人入胜之处呢？它们存在的时间既然如此短促，物理学家又如何进行观察呢？
为了回答前一个问题，就得回溯到1974年。在美国不同实验室中工作的两个科研小组作出一项发现，从而开始了高能物理的一个新时期。他们发现一种新基本粒子。由于两个小组取名不同，故称为J/4粒子。于是，一个问题提到物理学家面前：这种新粒子在已知基本粒子中应处于什么地位，如何使它们并行不悖。
—般认为，质子、中子及其他大多数在核作用下产生的粒子都由一些更小的单位夸克组成。质子和中子等粒子由三个夸克组成，总称重子。其他一些称为介子的粒子，由一个夸克和一个反夸克配对而成。反夸克就是相当于一个夸克的反物质，性质与夸克恰恰相反。1974年前人们认为只有三种夸克——上夸克、下夸克和奇夸克。所有已知粒子都可由这三种夸克或夸克反夸克对组成。
J/4粒子使这种简单的图解有所改变。为了充分说明它的性质，物理学家认为这是一种含有某种新夸克的介子（一个夸克反夸克对），这种夸克只有—种不同于其他夸克的性质。这种性质称为“魅”，这是谢尔顿· 格拉晓（Sheldon Glashow）及杰姆斯 ·伯沃金（James Bjorken）于1964年定的名。当时他们和其他理论物理学家认为，引入第四种夸克可使高能物理更加对称。所以这种具有魅性的夸克就被称为“魅”夸克。含有这种夸克的粒子则被称为魅粒子。
J/4粒子的魅性是隐蔽的。它由同样类型的一个夸克和一个反夸克组成，一个夸克的魅性和另一个夸克的反魅性相抵总和为零。可是，其他粒子如含有一个魅夸克同时并含其他夸克或反夸克即可呈显性。物理学家承认J/4粒子由一个魅夸克及其反夸克组成后，接着就着手搜索由一个魅夸克及上、下和奇夸克组成的其他粒子。
研究魅粒子时物理学家面临的问题是这种粒子既不稳定，寿命又极短。中子脱离原子核后的平均寿命为15分钟，然后分裂为一个质子、一个电子及—个名为中微子的中性粒子。带电的π介子只能存在10-8秒左右，然后分解为一个μ介子（一种重电子）及一个中微子。可是魅粒子寿命却只有秒，即万亿分之一秒。
由于魅粒子寿命短暂，所以不易在高能碰撞碎片中发现。一般物理学家只能搜索魅粒子衰变时所生寿命较长的几种粒子。如实验中能分别辨认出魅粒子的衰变点和产生点，这种办法就更加简便易行。然而，麻烦的是这种粒子在短暂的生存期间充其量也不过移动了几毫米。更伤脑筋的是，在这段短暂时期中魅粒子与前进方向偏离不大。所谓前进方向即指引起碰撞的高能粒子径踪，往往也是多数碎片的运动方向。事实上科研人员也正是通过寻找衰变产物轨迹的出发点来辨认衰变粒子的。计算表明，在10-12秒的短促时间内，粒子偏离前进方向的距离大致还不到300微米。所以任何用于记录衰变产物出发点的仪器必须能够分辨如此小的尺度。
由于带电粒子通过时使介质原子电离，所以记录带电粒子径踪原则上很简单。方法之一是用特殊的照相乳胶，经显影即可显示电离残迹。较好的办法是用可重复使用的介质形成轨迹，然后照相作为永久记录。气泡室就利用这种原理。气泡室中装有一种液体，在压力下加热至正常沸点以上。容积扩大时压力迅速降落。此时粒子使液体电离析出的能量即足以使液体沸腾，沿粒子运动径迹形成一串气泡。气泡逐渐长大，长至适当大小时即可用电子闪光法摄下残迹。就这样，压缩，射入高能粒子，接着膨胀、闪光照相/周而复始，可反复使用。气泡室优于乳胶的另一个原因在于可充以液态氢。由于氢核仅由质子构成，所以是高能粒子最简单的靶子。
最早的气泡室是唐纳·格兰塞（Donald Glaser）于1953年发明的，只装几立方厘米液体。现代气泡室一般容积约为半立方米。这种气泡室照相时的气泡直径一般为250~300微米。然而，也有容积较大的，这种气泡室用于研究中微子和物质的相互作角、那必须有足够的尺寸，以便射入粒子加速器所产生宽阔的中微子束。欧洲核研究中心（CEBN）有—座巨大的气泡室名为BEBC（欧洲大型气泡室），直径约为3.7米，有效容积为20立方米。BEBC照相时气泡直径一般为700微米。所以这种气泡室只能通过衰变产物显示魅粒子。
其后数日，欧洲核研究中心的赫因利奇 · 鲁兹（Heinrich Leutz）及其小组制造了一种Lexan气泡室（LEBC），直径20厘米，深4厘米，内容1.1升液态氢。Lexan是一种透明塑料，在液氢低温下具有良好的机械性能。照相时高能粒子产生的气泡直径为40微米左右，就是说气泡室扩大后才只有300微秒。相应的景深约为5.4毫米。足够容纳实验所用入射粒子束，但已接近实用下限。
由欧洲许多科研机构人员组成的一个实验小组曾用LEBC研究高能负电π介子的撞击作用，介子由欧洲核研究中心最大的加速器产生。LEBC的高分辨力使该小组得以把可能含有魅粒子衰变的图形，从含有其他粒子衰变的图形中分辨出来。由于知道寿命只有秒的粒子与前进方向的偏移在300微米以内，所以只需搜索入射束方向周围的有限范围。特别注意的是出现两个衰变点的情况，这是因为只显魅性的粒子应成对出现。其中一个粒子的魅性被另一个粒子的反魅性抵消，从而总和保持为零。该小组在所定范围内从4800例中发现了20例成对衰变。
为了证明所见确系魅粒子衰变，该小组还用别的检测器——40米长的欧洲混合式分光计（European Hybriol Spectrometer）进行重复实验，在气泡室外测量衰变所生带电粒子动量，并检测在气泡室中不留痕迹的中性π介子，即记录了一对中性魅介子D0及D0的产生，寿命分别为2.1×10-13秒及5.9×10-13秒（《物理通信》Vol. 102B，p285）。由于衰变时间比早先用乳胶法所得长好几倍，所以这些结果特别吸引人，并促使人们加倍努力以求提高气泡室的分辨力。
用LEBC等所做实验表明，普通光学系统足以鉴别寿命在10-12~10-13秒范围内的粒子衰变。那么，是否还有必要改进光学装置呢？回答是肯定的。这有两个原因。首先，加大景深有助于增加气泡室有效容积，而又不至影响分辨力。其他魅粒子出现得不如LEBC检出的D介子那样频繁，因而研究这些粒子就得增加作用次数。最有效的办法是加大气泡室容积，及增加入射束中高能粒子数。其次，提高分辨力后，气泡室可显示比魅粒子寿命更短的粒子。有些粒子含有第五种夸克即美夸克，寿命只有10-14秒左右。直接观察这种短命粒子的衰变，分辨力要达到5~10微米。如用普通光学装置，相应景深就将小于0.5毫米。那就浅得不能发用了。
解决分辨力与景深矛盾的方法之一是用全息术记录气泡迹象。全息术的基本原理是把物体致射光和一束参照光束的干涉图“冻结”在乳胶上。全息图与物体形象差远，甚至丝毫不同，但贮有物体全部光学信息。用照相时所用同样光照射显影后的玻板或胶卷，全息图即重现物体形象。全息图只能用相干光拍摄，即光波完全同等，因此用激光器所生单色光。
首应提出将全息术用于气泡室的是伦敦帝国学院的瓦尔特·威尔福德（Walter Welford），那是1966年。直到70年代末，卢瑟福 · 艾普尔顿实验室的柯灵· 费谢，欧洲核研究中心的波尔 · 洛柯（Paul Locoq）及纽约市大学的弗利德 · 艾斯莱（Fred Eisler）重又提出这种设想以解决魅粒子及美粒子的检测问题。全息术的价值在于不但分辨力提高而且景深大。普通光学装置景深和分辨力的关系可以D=3λ(γ/λ)2—式表示；全息术的关系式为D=0.08L(γ/λ)2，其中L是激光器的一种性能，称为相干长度，可达好几米。所以在同样分辨力下，全息系统的景深要大得多。原则上分辨力为几微米时，景深可达几米。
全息术用于气泡室的最初一些试验，是1980年夏天在欧洲核研究中心进行的，用的是小型氟利昂气泡室。氟利昂有时比氢方便，因为它保持液态的温度高得多，极易处理。但作为靶材，结构比氢复杂得多，核有几种，由许多质子和中子结合而成，从而使图形不易辨认。
这种气泡室名为BIBC（伯尔尼微型气泡室），直径仅6.5毫米，配以普通光学装置以搜索魅粒子的衰变。窗口有二个，特别便于改用同轴全息术。该法用同一激光束既照亮气泡又作为参考光束。该小组可使激光束与粒子轨迹成直角通过BIBC，在复以照相乳胶玻璃板或聚酯胶片上形成全息图。试验表明可成功地记录下小达8微米的气泡。脉冲激光束于粒子穿过气泡室后，微秒左右即达室内。
当BIBC正在进行试验时，欧洲核研究中心和卢瑟福 · 艾普尔顿实验室的科研小组已着手设计专用于全息术的小型气泡室。现已制成两个，并进行了试验。其中之一内装氢，另一为氟利昂。艾拉因· 赫夫（Alain Hervé）在欧洲核研究中心制造的一个名为HOBC（全息气泡室）。和BIBC一样内装氟利昂，粒子束轰击下所得全息图分辨力达10微米。另一个名为HOLEBC（Lexan全息气泡室）内装氢、也由欧洲核研究中心的leuta设计，用于和巨大的欧洲混合分光计配套，以测量和示出气泡室粒子的动量，从而进行鉴定。这种HOLEBC与原名的LEBC不同，有两个窗口，以便获得全息图。这改变了普通照明系统相机的闪光方式。HOLEBC已用一般方法照下只有20微米直径的气泡9试验表明用全息术时，HOLEBC可分辨小至10微米的气泡。细丝实验表明，即使更高的分辨力，原则上也可达到。
本月份，HOLEBC正用普通光学装置进行一项搜寻魅粒子的新实验。进一步试验将决定明年的—次实验用哪种全息系统，同轴还是双束。该气泡室已达每秒30次的循环速度。该小组希望将速度提高到50赫芝。这类循环速度相对原有装置来说是很高的。如该中心的一台老式2米气泡室操作速度为1赫芝。然而目前气泡室的趋向是向更高速度发展，因为这样可以更快地收集数据，从而提高效率。
全息术原则上所能达到的大景深鼓舞了物理学家，使他们开始考虑改装用于中微子的BEBC等大型气泡室。虽然中微子和物质发生作用的机会远小于质子及π介子，但中微子却为研究魅性提供一种较“清净”的实验手段。在质子和介子作用下，魅粒子产生率只有0.1%，中微子却可达10%左右。用中微子做实验还可搜寻其他短命粒子的衰变，特别是所谓τ轻子，这是一种比电子重的不稳粒子，发现于七十年代中期。
对于大型气泡室而言，为了观察魅粒子衰变，必须在达到高分辨力的同时，保持一定高度的中微子入射率。在这方面，看来全息术是唯一的手段。卢瑟福· 艾普尔顿实验室，欧洲核研究中心及弥路斯（Mulhouse）法国东部一城市，邻近德国边境，属亚尔萨斯省。圣路易研究所各小组对装在台架上的激光系统进行了试验，以便拍摄体积庞大的BEBC中的气泡图像。实验成功地摄成直径几十微米细丝的全息像。下个月将把细丝直接放在气泡室中试验，并改装气泡室，以便使用激光器。美国几个小组也在考虑依利诺斯洲国立费米加速器实验室4.5米气泡室的改装问题，以便摄取气泡轨迹的全息图。
分析这么多的全息图正是物理学家需要加以解决的一个问题。有几个小组正在研究如何改装用于自动扫描气泡室图像的现有照相系统。虽然全息图景深很大，但用于使其重现以便观察的光学系统景深仍然有限，一次只能扫描薄薄的一片。如能保证拍下的全息图只是要找的百分之几作用事例，就可大大减少工作量。这可用装在气泡室外的检测器进行控制。检测器反应极其灵敏，可在气泡长大前的几微米内提供信息。全息图用于气泡室时还有其他一些问题，例如湍流。它可在液体中引起局部反射率变化。但全息术仍有希望在今后一两年内。成为高能物理的一种标准工具。
[New Scientist，1982第3期]
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①原文题目为《全息术，气泡和魅夸克》。——译者
*Appleton，Edward Victor（1892~1965），英国物理学家。1947年曾因对上层大气的研究而获诺贝尔物理奖。——译者