肖健與我國宇宙線物理研究

他是我國宇宙線物理的創始人之一，主持建立了我國第一個高山宇宙線觀測站；他是我國最早將現代數理統計和計算機技術引入高能物理實驗，並將其應用到實驗設計和數據處理分析的開拓者；他畢生致力於宇宙線和高能實驗物理研究，為實驗物理培養了一批傑出的科學研究人才。他就是我國著名宇宙線物理學家和高能物理學家——肖健。

肖健先生1920年7月19日出生於長沙，1944年夏畢業於西南聯大物理系，1947年獲資助赴美深造，1950年回到祖國。1980年當選為中國科學院學部委員（院士），主要從事基本粒子物理實驗方面的研究並取得重要成果。

他負責籌建了雲南落雪山中國早期的宇宙線觀測站，並領導開展了宇宙線強度的觀測研究，負責磁雲室的設計與建造，負責研製了中國科學考察衛星用的第一台宇宙線探測儀器並提出了相應的觀測研究課題，組織領導了雲南高山站大雲室系統的設計、建造和調試等工作，在宇宙線粒子物理方面獲多項成果。

今天正值肖健先生誕辰98周年紀念日，謹以這篇介紹我國宇宙線研究的文章，緬懷先生，為祖國的實驗科學打基礎，為祖國的科學事業創業鋪路。

我國的宇宙線研究大體可以分為三個階段。

從建國初期到1973年左右，大體可看成宇宙線研究的第一階段，側重於以雲霧室為主要探測工具的高能宇宙線相互作用的研究和奇異粒子的尋找。

1954年在雲南落雪山海拔3180米處建設了中國第一個高山宇宙線實驗站。安裝了核物理學家趙忠堯、王淦昌從美國帶回的50cm多板雲室，建造了30cm磁雲室。用這兩個小雲室探測到700多個Λ0超子和 K0s（θ0）介子事例並對它們進行了全面分析；研究了宇宙線粒子電磁簇射現象和高能電子直接產生電子對的截面，產生了一批研究成果。

1958年在張文裕、肖健、力一領導下，在原落雪山實驗室附近9公里處海拔3220米海子頭山頂上建設了新的高山宇宙線站，實驗設備由三個大型雲室組成，上層為靶室，中層為磁雲室，下層為多板室，對單電荷粒子的最大可測動量為100 GeV/C，電離測量誤差為10％，設備的總重近300噸，在當時是世界同類裝置規模最大、水平最先進的儀器之一。在當時的經濟條件下，能建設這樣一套大雲室系統，已經是很大的投入了。

最初，大雲室的物理目標放在超過當時加速器能量（幾十GeV）的高能物理研究上。大雲室的建造花了7年時間，到1965年建成，後因文革影響，歲月蹉跎，研究工作受到影響，到六十年代末，國際上加速器的能量已提高到與大雲室相同的量級，原定的高能物理的研究方向已不具優勢。

於是，研究組根據當時粒子物理前沿的熱點課題，突出了尋找夸克（我國粒子物理理論家曾稱為層子）的研究。夸克（quark）可能具有1/3或2/3分數電子電荷，大磁雲室能夠可靠地鑒定分數電荷粒子，但是實驗中沒有找到分數電荷粒子（以後的研究表明，夸克是存在的，但是被囚禁在強子內，所以找不到），卻在1972年獲得了一個可能的重質量粒子事例。

雲霧室（簡稱雲室）是最早的帶電粒子徑跡探測器，它裡面充滿了乾淨空氣和酒精（或乙醚）的飽和汽。其基本原理是，帶電粒子在穿過有飽和蒸汽的容器時，會使氣體電離並形成凝結核，進而形成水珠，這樣沿著粒子路徑形成的凝結水珠就顯示出粒子徑跡，通過拍照便可用於分析。

如果在雲室外加上磁場，便會測到粒子偏轉的徑跡，從而測量粒子的動量，水珠的凝結狀況可以反映出粒子的運動速度。在雲室中放上不同物質的板做「靶」，可以研究粒子與物質相互作用的特性，拍下的照片可以把粒子的相互作用過程展現得清清楚楚。

在宇宙線的早期研究中，雲霧室曾是最好的工具之一，雲室的局限是其尺寸和可加磁場強度的大小。隨著粒子加速器的能量逐步提高，雲室的作用就慢慢「退居二線」了。威爾遜1896年發明了雲霧室，於1927年獲得了諾貝爾物理學獎。

圖1是雲南站大雲室組中的磁雲室拍到的一個大電磁簇射，中心區大於1GeV的電子有30多個，按原子量近似估計這個簇射的總能量在0.5 TeV以上。

圖1 雲南站大雲室組中層磁雲室測到的一個電磁級聯簇射事例

1972年測到的一個可能的重粒子事例（又稱雲南事例），事例的照片可見圖2和圖3。其中圖2a是雲室的正中全景相機拍攝的照片，圖3是左側水珠相機（只照雲室中心區域）拍攝的照片，兩個相機的放大倍數不同。

事例包括三條徑跡，互相分得很開，圖2b為示意圖，從左到右分別標為a,b,c，粒子a,b的電離相近，c則明顯淡得多，表明其速度較低。b,c很直，在磁場中偏轉小，表明它們動量很大。c粒子速度低而動量很大表明它質量很大。分析結果表明，c粒子質量下限為12GeV。考慮實驗誤差，c粒子質量小於1GeV(即它是質子)的可能性為千分之二。它穿過整個雲室沒有衰變，可能是穩定粒子，或壽命大於5 x 10-9秒。

圖

2a雲南事例（16580號）正面全景照片

圖2b 16580號事例素描

圖3 雲南事例（16580號）左側水珠照片

第二階段是1976年「四人幫」打倒以後，1977年全國自然科學學科規劃會議在北京召開，當時肖健和幾位前輩都已離開，一批新中國成長起來的中青年科研骨幹，走出國門、調研學習，開始了多種探測方法、多個研究方向的探索，尋找趕超國際先進水平的突破口。

開展的項目包括：甘巴拉山高山乳膠室實驗；懷柔和羊八井廣延空氣簇射(EAS)陣列技術和實驗；大氣切連科夫光探測和甚高能伽瑪射線天文觀測技術(興隆觀測站)和實驗；平流層科學氣球技術和空間X射線天文觀測技術和觀測；高能宇宙線引起的水聲的探測；用固體徑跡探測器對宇宙線重核成分進行測量等等。這些項目大部分由國內多個單位合作進行，經過一段時間的努力，研究的重點逐漸明朗。

第三個階段大約是從上世紀90年代算起，我國的宇宙線研究開始進入了邁向國際前沿的新階段。研究集中在中日合作 ASγ和中意合作 YBJ-ARGO 高山宇宙線實驗，中意合作地下暗物質探測（DAMA）實驗，以及若干衛星載空間天文項目，包括載人航天空間天文項目、AMS 國際合作項目、空間 X 射線調製望遠鏡項目、空間宇宙線高能電子測量和暗物質探測項目等等。

如今，高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）已經在四川稻城開工建設，將在探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化、高能天體演化和暗物質的研究方面做出中國貢獻。

（本文由中科院高能所研究人員宋黎明摘編自《物理》2013年第1期《我國的宇宙線物理研究六十年》、《現代物理知識》1994年第3期《卓越的實驗物理學 真誠的愛國者——肖健先生》。）

來源：中國科學院高能物理研究所

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