已经该沸腾,却还保持液态
1952 年,密歇根大学的 Glaser 证明,电离辐射能让过热液体冒出气泡。液体温度已经高于新压力下的沸点,却还没在整个体积里沸腾。粒子经过时,局部沉积的能量先打破这种等待状态,微小气泡沿着路线长大,运动于是有了可见的痕迹。
沸腾得先有个开头。一个小气泡有表面,造出这个表面要花能量;泡太小,往往还会塌回去。足够干净的液体因此能暂时保持液态,哪怕从整体条件看,变成蒸气已经更有利。这种等待一个扰动来启动变化的状态,叫亚稳态。
Glaser 用受控的压力变化制造它。压力高时,热液体仍保持液态;迅速降压,沸点随之降低,液体就变成过热液体。随后的一小段时间里,装置特别灵敏。局部能量沉积若足够集中,就能启动可以继续长大的气泡。局部能量沉积还要超过成核所需的阈值;温度、压力和液体性质共同决定了这道门槛。
粒子走了,气泡才长到能拍照
普通相机追不上粒子。粒子先留下一串微观扰动,气泡再从那里长大,到能被照亮、拍下的尺寸。摄影之后重新加压,泡消失,液体准备下一轮。每张径迹照片,都来自一轮加压、降压、生长、拍照过程中特意选定的时刻。
气泡长大先帮忙,后来又会添乱。太小,看不见;等得太久,相邻泡连成一片,原来的细线就糊了。容器壁、灰尘、震动也可能启动无关的气泡。实用装置得让粒子路线清楚显出,同时压住其他沸腾来源。
常见的“从啤酒泡得到灵感就造出气泡室”把过程压得太短。Glaser 自己的讲稿记着,他试过加热的啤酒、姜汁汽水和苏打水,放射源在不在附近,起泡并没有肉眼可见的明显差别。真正可用的办法来自合适过热液体中的物理效应,以及把它发展成清晰径迹记录的一连串实验。
一小块液体里装下了许多靶子
液体单位体积中的原子,比通常条件下的气体多得多。粒子更有机会在不算庞大的空间里发生相互作用。加速器的束流进入液体,撞出次级粒子,同一体积还能留下它们的路线,气泡室因此格外适合研究核与粒子反应。氢尤其有用:氢核只有一个质子,许多反应的初始靶子就容易解释。
把氢用起来,还要另一轮工程工作。它得冷到液态,在压力周期中受控运行,也得能稳定观察。Alvarez 等人发展了大型液氢气泡室,以及分析照片所需的测量系统。Glaser 的发明和后来的扩大应用属于同一条技术脉络,每一步各解决了一个具体难题。
密度高之外,靶核本身也影响解释。较重的核里有许多核子,出射粒子还可能在核内再次相撞、被吸收。氢给许多研究提供了更简单的初始质子。选哪一种液体,同时决定有多大机会发生相互作用,以及反应产物有多容易解释。
一份实验设计因此要兼顾两边:希望相互作用足够多,也希望能从留下的路线还原发生了什么。液体负责显出气泡,同时也在决定粒子会遇到什么。把靶材料和成像介质放在同一个体积里,是气泡室的优点,也让材料选择格外重要。
一条弯线开始变成测量
给气泡室加上已知磁场,弯曲程度就能提供动量和电荷的信息;从几个方向摄影,可以把交叉的投影还原成空间路线;把路线追到共同起点,又能研究一次碰撞或衰变。气泡室照片因此是测量的起点,还需要有人把路线量出来、把反应辨认清楚。
1960 年诺奖表彰 Glaser 发明气泡室。他抓住的是液体即将改变物态的那一刻:粒子带来一点局部扰动,热液体负责把它放大成气泡。一连串肉眼看不见的能量沉积,最后成了一条人可以检查的路。