在加利福尼亚州门洛帕克的斯坦福直线加速器中心(SLAC)，美国国家加速器实验室中的一台过时的粒子加速器，目前已被改造为世界上最强的X射线激光器
在加州门洛帕克斯坦福直线加速器中心（SLAC），一台过时的粒子加速器已被改造成为世界上最强的X射线激光器。在首次实验中，科学家们操纵这台激光器生成了空洞原子(hollow atoms)，并获得了预期的结果。
SLAC的复兴
在X射线的高能态下，如同由里朝外剥洋葱似的，两个最内部的电子而不是那些束缚得不那么紧凑的外层电子首先被剥离。当里面的电子被移走后，剩下的电子在X射线的光子撞击下，也接二连三地落入由前面的电子被撞击而留下的空隙中。最终，只剩下没有电子环绕的原子，即所谓的“空洞原子”。该项发现刊载于不久前的《自然》杂志上。另一个由西密歇根大学领衔的团队，今年6月在《物理评论通讯》上有关氮分子轰击的报道中也报告了类似的结果。
随着希格斯粒子有可能在未来几年里被发现，人们正在猜测谁会是发现它的幸运儿
虽然空洞的氖原子是一个简洁的原子形态，而为SLAC激光器设想的基本目标则是更为雄心勃勃的：要在百万分之几纳秒内――当分子还未被击成碎片――为类似蛋白质这样的单个分子照相。“我们正在走向生物学的竞技场，要为人体中的工人分子(worker molecule)留下快照，”SLAC激光中心主管乔基姆·斯托尔(Joachim St·hr)说。
伊利诺伊斯州阿贡国家实验室X射线科学部主管、负责氖实验的琳达·扬(Linda Young)说：“它的强度是以往所用X射线源的10亿倍。你需要了解这种超强的X射线源对物质会产生怎样的影响。如果能简化某些步骤，你就能看到这个过程的每一步。”
直到2008年，SLAC还是以前的SLAC，如今，X射线激光器给SLAC带来了一次复兴和转变。40年前，这个实验室是世界上最卓越的粒子物理实验室：在一条两英里长的直筒里，SLAC的直线加速器将电子提速到接近光速，并让它们相互碰撞，以便对物质最小片段进行考察。
1974年，由加速器产生的粒子，证明了粲夸克的存在，这一成果使得该团队的领头人伯顿·里克特(Burton Richter)两年后赢得了诺贝尔物理学奖[里克特博士与布鲁克海文国家实验室的丁肇中(Samuel Ting)分享了这项荣誉，后者在同一时间独立发现了含粲粒子(charm-containing particles)]。
但高能加速器并非只此一家，而粒子物理学也将得到很好的传承。首先要提到的是芝加哥郊外的费米国家加速器实验室(FNAL)，此外，最新的则有瑞士的欧洲粒子物理研究所(CERN)的大型强子对撞机（LHC）。
“在粒子物理的研究方面我们的实力依然十分强劲，”SLAC主管佩西斯·S·德雷尔(Persis S.Drell)说，“但我们并不想止步于此，我们也不想称老大。”
老树焕发青春
SLAC的直线加速器，又称为线性电子加速器（Linac），继续在运作和研究重要的、然而是更神秘难解的物理学问题。实验室的管理在2000年被置于美国能源部的监管之下，以防止国家实验室在运营中出现事故和疏忽。
2007年的圣诞前夜，一项在国会和布什总统之间摊牌的预算案，导致了对科学预算案出乎意料的大幅度的削减，而SLAC更是首当其冲。于2007年下半年担任SLAC主管的德雷尔博士，不得不压缩了15%的行政人员。SLAC最后的现场粒子物理实验，在2008年4月提前一年半被叫停。
SLAC仍然有一个粒子物理部门，但他们目前的工作更注重于天体物理学领域，包括操控最近入轨的美国航空航天局（NASA）的费米伽玛射线望远镜的主要仪器，以及加速器上的其他设备。X射线激光器通常称其为直线加速器相干光源(Linac Coherent Light Source)，或简称为L.C.L.S.，其时它的建设已在进行中。预算的缩水并没有迫使它从粒子物理学的研究转向光子科学，但给它带来了更多的震动。
当年用于发现粲夸克的直线加速器已经使用40多年了，尽管仍然用于对电子的加速，但它现在是X射线激光器的一个部件：电子以接近光速被定向到撞击的轨迹，顺着弯曲的磁场回旋；当电子偏转时，它们放射X射线，适当的偏转会使X射线合并到激光束中。
当X射线光子源源不断地进入到实验中去时，在磁回旋的末端，一个巨型电磁石将电子吸出。而大量的电子聚集为能实现新型科学的超短脉冲。由于过去没有人建造过类似L.C.L.S.那样的装置，因而当这台机器在一年前第一次启用时预想会发生一些小差错（这对任何大型物理设备而言都难以避免）。然而，在第一天仪器被接通后却一切顺利，电子生成了X射线，X射线则被合为一束激光束。
冀望风光再现
X射线激光器的出现，不仅改变了以往在SLAC所做的那种科研，也改变了实验的主体。在过去，通常是由SLAC的科学家主导在世界顶级的直线加速器上做研究。但如今，X射线激光器却对任何地区的科学家开放，只要你申请到了可用的时间。
因此，来自阿贡国家实验室的扬博士在这里实施了她的第一次实验：为了解更为复杂的分子结构，作为第一步，首先得掏空氖。“从氖到蛋白质，还有一大段路要走，”扬博士说，“实际上你可以用一个有希望的简单理论模型来解释我们所看到的一切事物。”
希望就是，X射线在掏空分子中所有原子的电子时，在电子坠落到空隙中的刹那间，科学家就能从X射线的散射图样推断出原子的位置。而现在科学家是采用对蛋白质晶体拍X光以推断蛋白质的形状，遗憾的是，许多蛋白质由于太柔软而无法结晶。
扬博士说，SLAC后续的实验将是通过微调X射线光子能量，将氖的内部电子从一个位置轻轻推到另一个位置。“这是对反常实验的根本控制。”X射线激光现在正在进行实验的第二次运行（激光脉冲已经变得更短）。最初是希望脉冲能达到300飞秒，即百万分之300纳秒，但在运行的第一天，脉冲已能缩短至80飞秒。
理论上，激光现在能产生短至4飞秒的脉冲。“实际上我们现在还没有一个好的方法来测量它，”斯托尔博士说。德雷尔则认为，“它表现得比我想象中更好得多。”
6月底第二台设备也开始运行，旨在研究不同材料的性质。例如，计算机硬盘上的数据是通过切换钴、铁和镍等铁磁材料混合体中的磁化方向而存储的。使用X射线激光脉冲，科学家将能研究在多大密度和速度下数据位才能被可靠地读写。“速度的极限在哪里？”斯托尔说，“你从1切换到0能达到多快？这个过程何时会发生混乱？”这是他们想要得到的答案。
目前，SLAC的X射线激光器还是世界上唯一的“独养儿子”，但德国和日本正计划在近几年里启动建造类似的装置。尽管并不是每个人都对新的SLAC感到高兴，但即便是某些守旧的人也看到了变革是必要的。“我认为未来是光明的，”里克特博士说，“未来和过去不一样。当然，未来也决不会和过去一样。”
资料来源 The New York Times
责任编辑 则 鸣