科学史丨肖健与我国宇宙线物理研究

他是我国宇宙线物理的创始人之一，主持建立了我国第一个高山宇宙线观测站；他是我国最早将现代数理统计和计算机技术引入高能物理实验，并将其应用到实验设计和数据处理分析的开拓者；他毕生致力于宇宙线和高能实验物理研究，为实验物理培养了一批杰出的科学研究人才。他就是我国著名宇宙线物理学家和高能物理学家——肖健。

肖健先生1920年7月19日出生于长沙，1944年夏毕业于西南联大物理系，1947年获资助赴美深造，1950年回到祖国。1980年当选为中国科学院学部委员（院士），主要从事基本粒子物理实验方面的研究并取得重要成果。

他负责筹建了云南落雪山中国早期的宇宙线观测站，并领导开展了宇宙线强度的观测研究，负责磁云室的设计与建造，负责研制了中国科学考察卫星用的第一台宇宙线探测仪器并提出了相应的观测研究课题，组织领导了云南高山站大云室系统的设计、建造和调试等工作，在宇宙线粒子物理方面获多项成果。

今天正值肖健先生诞辰98周年纪念日，谨以这篇介绍我国宇宙线研究的文章，缅怀先生，为祖国的实验科学打基础，为祖国的科学事业创业铺路。

我国的宇宙线研究大体可以分为三个阶段。

从建国初期到1973年左右，大体可看成宇宙线研究的第一阶段，侧重于以云雾室为主要探测工具的高能宇宙线相互作用的研究和奇异粒子的寻找。

1954年在云南落雪山海拔3180米处建设了中国第一个高山宇宙线实验站。安装了核物理学家赵忠尧、王淦昌从美国带回的50cm多板云室，建造了30cm磁云室。用这两个小云室探测到700多个Λ0超子和 K0s（θ0）介子事例并对它们进行了全面分析；研究了宇宙线粒子电磁簇射现象和高能电子直接产生电子对的截面，产生了一批研究成果。

1958年在张文裕、肖健、力一领导下，在原落雪山实验室附近9公里处海拔3220米海子头山顶上建设了新的高山宇宙线站，实验设备由三个大型云室组成，上层为靶室，中层为磁云室，下层为多板室，对单电荷粒子的最大可测动量为100 GeV/C，电离测量误差为10％，设备的总重近300吨，在当时是世界同类装置规模最大、水平最先进的仪器之一。在当时的经济条件下，能建设这样一套大云室系统，已经是很大的投入了。

最初，大云室的物理目标放在超过当时加速器能量（几十GeV）的高能物理研究上。大云室的建造花了7年时间，到1965年建成，后因文革影响，岁月蹉跎，研究工作受到影响，到六十年代末，国际上加速器的能量已提高到与大云室相同的量级，原定的高能物理的研究方向已不具优势。

于是，研究组根据当时粒子物理前沿的热点课题，突出了寻找夸克（我国粒子物理理论家曾称为层子）的研究。夸克（quark）可能具有1/3或2/3分数电子电荷，大磁云室能够可靠地鉴定分数电荷粒子，但是实验中没有找到分数电荷粒子（以后的研究表明，夸克是存在的，但是被囚禁在强子内，所以找不到），却在1972年获得了一个可能的重质量粒子事例。

云雾室（简称云室）是最早的带电粒子径迹探测器，它里面充满了干净空气和酒精（或乙醚）的饱和汽。其基本原理是，带电粒子在穿过有饱和蒸汽的容器时，会使气体电离并形成凝结核，进而形成水珠，这样沿着粒子路径形成的凝结水珠就显示出粒子径迹，通过拍照便可用于分析。

如果在云室外加上磁场，便会测到粒子偏转的径迹，从而测量粒子的动量，水珠的凝结状况可以反映出粒子的运动速度。在云室中放上不同物质的板做“靶”，可以研究粒子与物质相互作用的特性，拍下的照片可以把粒子的相互作用过程展现得清清楚楚。

在宇宙线的早期研究中，云雾室曾是最好的工具之一，云室的局限是其尺寸和可加磁场强度的大小。随着粒子加速器的能量逐步提高，云室的作用就慢慢“退居二线”了。威尔逊1896年发明了云雾室，于1927年获得了诺贝尔物理学奖。

图1是云南站大云室组中的磁云室拍到的一个大电磁簇射，中心区大于1GeV的电子有30多个，按原子量近似估计这个簇射的总能量在0.5 TeV以上。

图1 云南站大云室组中层磁云室测到的一个电磁级联簇射事例

1972年测到的一个可能的重粒子事例（又称云南事例），事例的照片可见图2和图3。其中图2a是云室的正中全景相机拍摄的照片，图3是左侧水珠相机（只照云室中心区域）拍摄的照片，两个相机的放大倍数不同。

事例包括三条径迹，互相分得很开，图2b为示意图，从左到右分别标为a,b,c，粒子a,b的电离相近，c则明显淡得多，表明其速度较低。b,c很直，在磁场中偏转小，表明它们动量很大。c粒子速度低而动量很大表明它质量很大。分析结果表明，c粒子质量下限为12GeV。考虑实验误差，c粒子质量小于1GeV(即它是质子)的可能性为千分之二。它穿过整个云室没有衰变，可能是稳定粒子，或寿命大于5 x 10-9秒。

图 2a 云南事例（16580号）正面全景照片

图2b 16580号事例素描

图3 云南事例（16580号）左侧水珠照片

第二阶段是1976年“四人帮”打倒以后，1977年全国自然科学学科规划会议在北京召开，当时肖健和几位前辈都已离开，一批新中国成长起来的中青年科研骨干，走出国门、调研学习，开始了多种探测方法、多个研究方向的探索，寻找赶超国际先进水平的突破口。

开展的项目包括：甘巴拉山高山乳胶室实验；怀柔和羊八井广延空气簇射(EAS)阵列技术和实验；大气切连科夫光探测和甚高能伽玛射线天文观测技术(兴隆观测站)和实验；平流层科学气球技术和空间X射线天文观测技术和观测；高能宇宙线引起的水声的探测；用固体径迹探测器对宇宙线重核成分进行测量等等。这些项目大部分由国内多个单位合作进行，经过一段时间的努力，研究的重点逐渐明朗。

第三个阶段大约是从上世纪90年代算起，我国的宇宙线研究开始进入了迈向国际前沿的新阶段。研究集中在中日合作 ASγ和中意合作 YBJ-ARGO 高山宇宙线实验，中意合作地下暗物质探测（DAMA）实验，以及若干卫星载空间天文项目，包括载人航天空间天文项目、AMS 国际合作项目、空间 X 射线调制望远镜项目、空间宇宙线高能电子测量和暗物质探测项目等等。

如今，高海拔宇宙线观测站（LHAASO）已经在四川稻城开工建设，将在探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究方面做出中国贡献。

（本文由中科院高能所研究人员宋黎明摘编自《物理》2013年第1期《我国的宇宙线物理研究六十年》、《现代物理知识》1994年第3期《卓越的实验物理学 真诚的爱国者——肖健先生》。）

来源：中国科学院高能物理研究所