探测器|自己动手，在家做一回粒子物理实验宇宙射线|科学家

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想探测到组成物质的基本粒子，并非需要超级巨大的探测器。说出来你可能不信，我们自己在家就能搭一个简易的探测器——可以观测到那些来自遥远宇宙的粒子的运动轨迹。
撰文 | 刘航
你是否有为孩子做科学实验的困扰？现在有机会让你的孩子成为班里最靓的仔。自己动手，来一把粒子物理探测实验，用不太复杂的操作就能看到基本粒子在客厅中穿梭的径迹！
虽然用眼看不到，但基本粒子作为背景辐射却时刻在我们身边。天然的背景辐射（简称天然辐射）源包括宇宙射线，岩石中元素的放射性衰变，还有生物体中放射性元素的衰变（比如香蕉中的钾-40）。宇宙射线是极高能量的亚原子粒子（主要是伴随有电磁辐射的质子和原子核），它们穿过太空，飞向地球。当它们撞击地球的大气层时，会与大气层中的粒子发生散射，产生次级粒子穿过大气层来到地球表面。当宇宙射线穿过云层时，会产生肉眼可见的幽灵般的粒子轨迹。
提到粒子探测，近年来科学新闻里最常提到的应该是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机 (Large Hadron Collider) ，这也是目前粒子物理领域最顶尖的大科学装置。这个探测器的规模是超出我们想象的：它们重达数千吨，包含数百万个探测单元，是由数千名科学家组成的国际合作组共同支持的研究项目。
但粒子探测器并不总是那么庞大和复杂。有些粒子探测器可以非常简单，重达千吨的LHC也是从最简单的探测器开始发展起来的。云室是最古老的粒子探测器之一，粒子物理学历史上的多项发现都与其有关，它还直接导致了两项诺贝尔奖的诞生。英国物理学家查尔斯·威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson ， 1869-1959），本想研究潮湿空气中的云的形成和光学现象，却无意中发明了云室——第一台粒子探测器。他于 1911 年完善了第一个（扩展）云室，并于 1927 年获得诺贝尔奖。美国物理学家卡尔·安德森（Carl David Anderson ， 1905-1991），在 1932 年和 1936 年使用膨胀云室发现了正电子和缪子，他因发现了正电子获得1936年诺贝尔奖。
云室对早期亚原子粒子的研究是非常重要的，随着观测技术以及加速器的不断发展，这样原始的探测器留在了历史长河中。但通过观测粒子的轨迹来研究粒子性质这一方法，至今仍应用在大型加速器上，是粒子物理领域最重要的研究手段之一。追随历史足迹，威尔逊单枪匹马就能搭建云室，意味着我们也有机会在自己家里打造一个云室，在家里就可以实现对粒子轨迹的观测。
今天，我们介绍一个家庭版云室探测器的制作方法，利用蒸发的酒精制造出一种“云” ，以实现对粒子的观测。
云室的工作原理
首先，我们先来了解一下云室具体的工作原理。
当带电粒子在空气中运动时，它会与大气分子发生碰撞，而使空气分子发生电离。气体分子被电离后会吸引极性分子（水和酒精都是极性分子）。这时，如果周围是极性分子的过饱和蒸气，极性分子就可以以电离后的气体分子为凝结核而液化。这样极性分子不断聚集，会形成肉眼可观察到的云雾状微小液滴。所以，如果我们看到了“云雾”的痕迹，就说明看到了粒子的运动轨迹。
为了能在实验中观察到上述的现象，我们需要在一个密闭容器里充满极性分子的过饱和蒸汽来制造“云” ，以此建造我们的“云室” 。过饱和蒸气是指在一定温度下超过饱和蒸气应有的密度而仍不液化或凝华的蒸气，它的特点是不稳定，如果出现凝结核就会液化或凝华。形象地说，就像在凉爽的秋天早晨草叶上的露珠，容器中过饱和蒸汽会在它可以粘住的任何物体上形成云状液滴。
云室可以由不同类型的过饱和蒸气来实现，我们这里用酒精或者异丙醇。在一个密闭的容器内，使容器顶部温热并且底部冷。温暖的顶部将酒精/异丙醇汽化，汽化后的蒸气在底部液化，这样在容器的底部就易形成过饱和蒸气。当粒子带电粒子通过蒸气时，会使空气分子电离。蒸气中的酒精/异丙醇是极性分子，它们会被吸引到电离粒子的周围。然后凝结成云雾状滴落到容器底部。云室内形成的轨迹，可能看起来就像飞机的轨迹一样——细长的线条标志着粒子粒子穿过云室的路径。