全球最傳奇實驗室里的最尖端技術

編者按：世界上最傳奇的實驗室里正進行著世界上最尖端的技術革新。地球上能量最高的X射線激光器LCLS-II將在LCLS的基礎上升級誕生。憑藉著超出前輩將近1萬倍的最大輸出，它可以在粗放時輕易地在地球上模擬出太陽核心的溫度，也可以在精細時展現分子在進行化學反應時的每個細節。如此高大上的工具，無疑是每個高能物理學家的「夢中情人」。

從2016年4月4日開始，美國斯坦福加速器國家實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory）著手對現有的X射線激光器進行升級改造。新的激光器的能量將會比現有激光器高1萬倍，並將成為世界上最強的X射線激光器。升級項目預計花費10億美元，計劃於本世紀20年代早期完成。

斯坦福加速器國家實驗室有一座長度為2英里（約合3.2千米）的直線加速器，這是世界上最長的直線加速器，還被稱為「世界上最直的物體」，得這座實驗室也因此聞名於世。直線加速器被埋在大概10米深的地下，穿過美國280號州際高速公路。在加速器上方的地面上有配套建築，裡面布置著各種實驗設備，長度有3千米——這也是世界上最長的建築。

世界上最長的建築，遠處建築上方是美國280號州際高速公路

容納實驗設備的建築內部

這座直線加速器也為實驗室後來研製X射線激光器奠定了設備基礎。當帶電粒子（這裡是電子）受力沿著曲線運動的時候，它們會以向外發出輻射的形式失去能量。粒子運動路徑為曲線的加速器稱為同步加速器（synchrotron）。如果在同步加速器中運動的電子的能量足夠高的話，發出的輻射就是X射線。很多X射線激光器就是基於這一原理。

但是在SLAC，科學家採取了不同的策略。他們在加速器上加速電子，並使它們在通過一系列精心排布的磁體（稱為波盪器）時沿曲線來回運動。電子束是分開的，這樣，振蕩就可以疊加——當脈衝通過每一個波盪器的時候，會有更多的光子疊加進來，脈衝的能量就會變高。SLAC的激光器在超過100米的距離上分布著32個波盪器。依靠這種機制，SLAC的X射線激光器產生的X射線的脈衝強度，要比同步加速器產生的脈衝強度高10億倍。

實驗室局部

實驗室現有的X射線激光器稱為「直線加速器相關光源」（Linac CoherentLight Source ,LCLS)，使用的是該實驗室直線加速器1/3的部分。新的激光器稱為LCLS-II，也將佔據直線加速器的1/3。LCLS-II項目主管約翰·伽雷達（John Galayda）表示：「實驗室的直線加速器為下一代加速器做了很多前瞻性的研究，但是現在這些研究因為升級激光器的緣故要暫定一段時間，新的激光器所佔據的1/3的部分將會被超導直線加速器所替換」。之所以稱為超導，是因為LCLS-II的加速器空腔由金屬鈮製成，工作溫度約為-271℃，因此在接近超導的狀態下電能損耗幾乎為零。

未來的LCLS-II（藍色所示）將被放置在現有的LCLS（紅色所示）旁邊

升級改造後，含有超導磁體的加速模塊將可以以不間斷的方式在飛秒（1秒的一千萬億分之一）尺度上產生電子脈衝，頻率可以達到1MHz（即每秒100萬次），能量範圍為250eV到5KeV。而作為對比，LCLS只能以每秒鐘120次脈衝的速率產生電子束，這樣一來LCLS-II產生的能量將是LCLS的近1萬倍。雖然在費米國家實驗室（Fermilab）的萬億電子伏特加速器（Tevatron）和歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）上也使用了超導磁體，但是它們只是起到在曲線路徑上控制粒子方向的作用，而這一次超導磁體真正起到了加速的作用。

這次升級改造中也會有其他科研機構參與，美國費米國家實驗室和德國電子同步加速器中心（DESY）會在其中發揮關鍵作用，而美國阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）、伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）、傑弗遜國家實驗室（Jefferson Lab）和康奈爾大學（Cornell University）也都加入到項目的設計中。

參與LCLS-II的美國科研機構

令人驚喜的收穫

科學家耗費如此多的時間和財力來建造和升級X射線激光器，原因在於它在各類研究中都具有非常重要的價值。X射線在成像方面有著非常廣泛的應用。舉例來說，確定分子中原子位置的X射線衍射技術通常情況下需要高質量的晶體才能成像。但是在SLAC，由於X射線束的能量非常高，可以一次對一個單獨的分子成像，因此晶體不再是必需的。藉助這樣的設備，科學家有機會觀察到正在進行的化學反應中的細節。

SLAC的X射線激光器揭示出光合細菌的蛋白質如何在光的作用下改變形狀

LCLS項目主管邁克·杜恩（Mike Dunne）就表示：「新的激光器並不一定會打開一個全新的研究領域，但是科學家相信它可以給現在的研究帶來革命性的變化」。

新的激光器憑藉強大的產生電子脈衝的能力將幫助科學家在很多的時間內獲得所需數據，而這些現在卻要花費很長時間。升級後的激光器將賦予科學家更強大的觀察自然的能力：他們可以研究氣體中光是如何觸發化學反應的，或是憑藉高解析度影像了解在高溫高壓等極端條件下物質的結構。

LCLS第一代激光器就曾經成功將鋁箔短時間內加熱到200萬攝氏度，這個溫度只有在太陽心臟或者核爆中心才可能達到。在這個溫度下鋁將會達到一個極端的物質形態—稀薄等離子體，收集物質在這個狀態下的數據可以幫助我們進一步了解等離子體光譜到底發生了什麼。在第二代LCLS的幫助下，更多的數據將被獲得並且直接應用到新藥物的開發、下一代計算機的設計以及新的航空材料的製造等研究中去，人類未來的生活也將因此受益良多。

實驗室編製的手冊介紹了LCLS-II為科學研究帶來的新機遇

實驗室的前世今生

LCLS-II正式投入使用的那一天，美國斯坦福加速器國家實驗室一定會再次吸引世界科學界的目光。這家久負盛名的實驗室位於美國加利福尼亞州的門羅帕克（Menlo Park, California），始建於1962年，隸屬於美國能源部，由斯坦福大學負責日常管理和運營。該實驗室曾經叫做「斯坦福直線加速器中心」（Stanford Linear Accelerator Center，SLAC），這也是現在名字中「SLAC」的來歷。

斯坦福加速器國家實驗室的入口

這家實驗室在成立至今的半個多世紀中，有著輝煌的歷史，對20世紀物理學的發展做出過非常重要的貢獻。比如說，這裡曾經誕生過3個諾貝爾物理學獎，分別是：伯頓·里希特（Burton Richter）因為領導該實驗室和丁肇中的團隊共同發現J/ψ 介子而在1976年獲獎；理查德·泰勒（Richard Taylor）、亨利·肯德爾（Henry Kendall）和傑羅姆·弗里德曼（Jerome Friedman）因為在實驗室發現質子存在內部結構（即夸克模型）的最初證據而在1990年獲獎；馬丁·佩爾（Martin Perl）因為發現τ輕子而在1995年獲獎。

從空中俯瞰斯坦福加速器國家實驗室

LCLS和LCLS-II所利用的直線加速器在建造的時候是為了研究早前在CERN發現的W及Z玻色子。通過使電子和正電子以適當的能量進行撞擊，加速器產生了大量的W及Z玻色子，科學家由此可以進行細緻的研究。在對二者的性質有了比較充分的研究之後，加速器又用來撞擊電子以產生B介子（B meson）。科學家建造了一台探測器（BABAR detector）研究B介子的性質，希望找到宇宙中充滿物質的原因。不過在CERN的LHCb探測器可以對此進行更好的研究之後，該項目也被終止。

開拓研究新天地

目前，由於X射線成像在生物學和生物化學中的重要應用，有許多生物學家在斯坦福加速器中心工作，這和當年這裡粒子物理學家雲集的情形有很大的不同。除此之外，這裡的科學家還在許多其他領域內繼續對世界本質的探求。

例如，斯坦福加速器中心的科學家為費米伽馬射線空間望遠鏡（Fermi Gamma Ray SpaceTelescope）建造了大視場望遠鏡（Large Area Telescope），這台設備是費米望遠鏡的主要科學儀器，用來觀測宇宙中的高能量事件。通常情況下，伽馬射線都和宇宙中的極端能量事件相聯繫，例如超新星和黑洞，因此通過研究伽馬射線粒子物理學家可以對能量遠高於地面上加速器中的亞原子粒子進行研究，宇宙學家可以對宇宙的誕生和演化有更多的了解。

地面上的費米伽馬射線空間望遠鏡，太陽能板被摺疊起來

位於南極的「第二代宇宙泛星系偏振背景成像望遠鏡」（BICEP2）也是在斯坦福加速器中心建造的。2014年3月，BICEP2團隊曾經宣布發現了原初引力波，頓時引起轟動，不過隨後的分析表明他們發現的信號實際上是干擾信號，否則這將成為支持暴漲理論的強有力證據。

位於南極的BICEP2（左側屋頂上的設備）和「南極望遠鏡」（右側的設備）

除此之外，實驗室的科學家還在參與位於智利阿卡塔馬沙漠的「大型巡天望遠鏡」（Large Synoptic SurveyTelescope，LSST）的建造工作。這台望遠鏡直徑8.4米，帶有一部30億像素的相機，預計於2019年建成。建成後望遠鏡可以每周完成一次對南半球天空的巡天工作，整個觀測計劃持續10年。每晚產生的觀測數據達到30TB。這樣科學家就可以捕捉到從近地小行星到遙遠的超新星在內的各種天體的變化。如果可以觀察到足夠多的超新星，科學家就可以對宇宙膨脹有更加深入的認識，同時也許可以揭示暗能量的本質。

LSST（圖左）建成後的想像圖

中國的「科學之光」

隨著科研條件的不斷改善和科研能力的不斷提高，中國也已經建成具有世界領先水平的輻射光源——上海光源。上海光源（Shanghai SynchrotronRadiation facility，SSRF）始建於2004年，2009年投入使用，總投資超過12億人民幣，科學壽命超過30年。上海光源為我國的多學科前沿研究和高新技術開發應用提供了先進的實驗平台，為不同學科間的相互滲透和交叉融合創造了優良條件，同時直接帶動我國相關工業的發展，具有重大的科學和社會意義。自投入使用以來，我國科學家已經藉助上海光源取得很多重要的科研成果，涵蓋醫學、生物學和材料科學等領域，相關論文發表在《自然》、《科學》和《細胞》等世界頂尖科技期刊上。

像上海光源這樣投入大、運行時間長、用來實現重要科學技術目標的大型設施被稱為「大科學裝置」，在各個領域的科學研究中，大科學裝置都發揮著非常重要的作用。20世紀中葉以來科學技術的發展呈現出一個態勢，即一個國家大科學裝置的水平直接決定其在前沿領域裡取得突破的能力，從而在根本上決定其科學技術的核心競爭力。

與SLAC相似，CERN自1954年成立以來，不僅誕生了許多重要的物理學發現，同時還成為萬維網（WWW）的發源地，深刻改變了人類生活。目前，中國科學家已經提出在2020-2025年間建設下一代環形正負電子對撞機（CEPC）的計劃，因此未來數十年內中國很有可能成為世界粒子物理學研究的中心。我們期待包括LCLS-II和CEPC在內的大科學裝置可以成為打開未知世界的鑰匙，幫助我們探索宇宙的奧秘，窺探生命的真相。

撰文：鞠強

參考文獻：

[1]https://www6.slac.stanford.edu/[2]http://arstechnica.com/science/2016/04/worlds-most-powerful-x-ray-laser-to-get-a-major-upgrade/

[3]http://arstechnica.com/science/2015/03/slac-particle-accelerator-facility-finds-new-ways-to-be-cutting-edge/

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/SLAC_National_Accelerator_Laboratory

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