[解读科学]“人类皆是星之子”…探索原子世界的粒子加速器

Published 25 Sep.2023 10:55(KST)

从癌症治疗到宇宙诞生之谜
研究原子世界的加速器应用日益活跃

《来自星星的你》是一部在2013年至2014年间大受欢迎的电视剧。剧情中的含义是“外星人”，但现实中的科学家们则认为，全人类其实都是“来自星星的你”。这是因为，不仅人类，地球上所有生命体的组成成分，都是在长达138亿年的宇宙历史中，恒星诞生、成长、爆发、消亡的过程中形成的各种元素。即便是太阳系中最古老的太阳，也不是在宇宙初期就生成的，而是遥远过去某颗恒星爆炸后产生的氢、氦原子聚集而成。像这样研究元素的起源和特性，是为了揭示宇宙与生命的历史和本质，是当今物理学的最大课题之一。特别是利用加速器寻找地球上不存在的稀有原子核的基础科学研究，在半导体、医学、新材料开发等方面的应用需求推动下，已在全球范围内蓬勃展开。

▲已建成的RFQ直线加速器。[由未来部提供]

飞秒科学的世界

元素，也就是原子，由电子和原子核（质子+中子）构成。电子与原子核之间的距离，相对尺度上就像从首尔钟路正中心到议政府那样遥远，中间几乎一片空无。构成原子核的质子带正电，按原理来说彼此之间无法结合，但质子和中子依靠比电磁力更强大的“核力”聚集在一起。物理学家以原子中质子数确定原子序数，并据此决定元素的化学性质；同时把质子数和中子数之和视为元素的质量。质子由夸克和胶子组成。这一原子世界的尺度远小于纳米（十亿分之一米），仅有飞米（千万亿分之一米）量级。探索这种飞米世界的工具，就是加速器（accelerator），即向带电粒子发射微波（电磁力）使其加速的装置。按照粒子种类（质子及重离子、电子）、结构形式（线形、环形）、电磁波类型（直流型、交流型）等进行区分。其中，放射光加速器是将电子加速到接近光速以产生光的装置，近期在这一领域出现了值得关注的研究开发成果。

美国斯坦福大学SLAC国家加速器实验室于本月12日宣布，完成并启用了世界上最强大的X射线激光器（线形放射光加速器）。该装置甚至可以捕捉化学反应瞬间发生的原子运动，拍摄每秒10万帧的视频。他们在原有放射光加速器LCLS-I（Linac Coherent Light Source，线性相干光源）的基础上，投入11亿美元升级为LCLS-II。X射线每秒脉冲数从原先的120个增加到100万个，提升了足足8000多倍，从而实现每秒10万帧的视频拍摄。激光亮度的平均值也提高到原来的1万倍以上，可以以有史以来最高的清晰度记录分子运动。国际学术期刊《自然》（Nature）评价称：“包括在化学反应过程中绕原子旋转的电子在内，发生极其迅速的物质运动都可以被成像”，“这将有助于揭示光合作用的秘密，或开发用于计算系统的新型电子器件”。

重离子治疗中心粒子加速器

我国自1994年起建成并利用3至4代浦项放射光加速器。目前正在忠北梧仓投入1万亿韩元，建设第四代多用途放射光加速器。计划将电子加速到4GeV（40亿电子伏特）的皮米级能量，产生比太阳亮度高约1000亿倍的光束。

用于加速铀等重离子以制造新同位素的重离子加速器RAON，也在去年年底投入高达1.5万亿韩元，完成了第一阶段低速区段（光速的十分之一）。今后通过追加研究开发，预计到2030年代将建成高速区段（约每秒15万公里）。它不仅有望揭示宇宙诞生之谜，还可应用于半导体、二次电池等化学领域以及生物、医学等。近期，利用重离子加速器的癌症治疗技术也使医疗机构备受关注。其原理是将碳离子加速到接近光速，精确摧毁癌细胞。延世大学世福兰斯医院已于今年5月启动首例治疗，首尔大学医院也正在推进在釜山机张郡建设重离子加速器治疗中心。韩国原子力研究院在庆州运营着一台质子加速器。

寻找新的原子

加速器被称为“诺贝尔奖富矿”。在历届一百余项诺贝尔物理学奖中，超过二十项与加速器相关。只要发现新元素，就会立即进入诺贝尔奖候选名单。与此相关，日本近期利用加速器首次成功观测到此前仅存在于理论中的氧同位素（氧-28，28-O），引发关注。日本东京工业大学研究团队于上月30日在《自然》发表了相关论文。一直以来，人们认为氧（O₂）的原子核由8个质子和3至18个中子组成。氧-28则含有多达20个中子，此次是首次被观测到。特别之处在于，这种生成的氧-28一产生就立即发生了衰变，这与以往关于原子结构的理论结果不同。科学家一直认为，当原子核中中子数为2、8、20、28、50、92、126等特定数字（magic number，幻数）时，该元素的衰变期较长，更为稳定。因此，预测并试图观测氧-28的科学家们也曾认为，既然其中子数为20，属于“幻数”，它应该是半衰期较长的稳定物质。科学界认为，尽管今后仍需进一步验证，但这一结果可能具有必须重写既有原子结构理论的创新意义，或许意味着要把“20”从幻数列表中删除。

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▲第4代同步辐射加速器。

我国的加速器研究在设施与投入资源方面虽已达到世界水平，但一线研究人员指出，与美国等主要强国不断强化研究投资和成果相比，韩国却因近年预算急剧缩减而处于退步局面。基礎科學研究院稀有核研究团团长Han Insik于本月14日表示：“以RAON为例，目前只完成了第一阶段低能量区段，如果没有第二阶段高能量区段，要获得诺贝尔奖几乎不可能”，“这是全球首个同时采用在线同位素分离方式（ISOL）和飞行破碎方式（IF）的装置，寄予厚望，但仅凭第一阶段，很难实现‘首次’发现或大幅拓展既有研究领域”。浦项放射光加速器和梧松多用途放射光加速器也都不是更先进的线形结构，而是无法进行动态观测的环形结构，存在局限。原子力研究院的质子加速器仅为100兆电子伏特（MeV）级，性能低于主要强国的500至3000MeV水平，又缺乏中子利用设施，目前正在讨论改造升级方案。

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。