屏蔽中子辐射的常用材料 二战的钢板和弹壳是废品?科学家用来探测神秘粒子

出品|网易科学人栏目组 翟中超

图注：二战时前苏联留下的黄铜炮弹弹壳。后来这堆弹壳纳入到欧洲核子研究委员会（Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire）紧凑渺子线圈（Compact Muon Solenoid，简称CMS）探测器实验当中。

100万枚俄罗斯炮弹弹壳帮助科学家发现了希格斯玻色子（Higgs boson）。在全世界范围内，第二次世界大战遗留的武器成为物理学神秘实验的帮手。

在上世纪90年代中期，物理学家需要大量的、性质足够强大的金属来承受紧凑渺子线圈探测器产生的巨大磁场。CMS探测器大小如同房屋，是瑞士日内瓦大型强子碰撞型加速装置上的一个粒子探测器。科学家决定选用高质量的黄铜来进行试验，但从哪才能搞到这么多黄铜呢？

尽管俄罗斯科学界在上世纪90年代处于挣扎期，但参与到国际CMS合作的俄罗斯科学家仍然想提供自己力所能及的帮助。屏蔽中子辐射的常用材料其中一位科学家想到坚硬的炮弹弹壳能满足探测器的需要，在其请求之下，一名俄罗斯海军指挥官同意将二战遗留下来的炮弹弹壳交给CMS项目的科学家。这些科学家进行的实验需要600吨黄铜！2009年，大型强子对撞机启动，在CMS探测器的帮助下，该装置结束了此前长达50年、耗资数十亿美元的研究，并于2012年发现了希格斯玻色子。

证明最基本的物理定律相当耗费财力。就目前而言，搜寻基本粒子的实验可能需要花费数十亿美元，所以装置的回收利用也就很常见了，此外某些零部件也经常在机器之间交换使用。那些最初为医学成像机器而造的磁铁可以用于核物理研究。有时，战争遗留下来的装置或弹壳最后又参与到一些非常重要的物理实验当中。几位诺贝尔奖得主就借此塑造了我们对宇宙运作方式的现代性理解。

二战遗留下许多可用之物，比如说大型战舰上数百毫米厚的钢板以及发展核武器的剩下的材料。科学家通过个人人脉或是申请政府盈余设备，还可以通过其他秘密渠道获得相应设备。多数情况下，这些零部件都是免费赠送，不过不包邮，运费得自己付哦。

在美国，战后设备的再利用通常会用到退役舰船的钢制装甲板。舰船的钢板能抵御炮弹的攻击，而在上世纪60年代至70年代期间工作的粒子物理学家就利用这些钢板来屏蔽背景辐射。

“物理学家需要大量高密度材料。他们想搞到这些东西而且还不能花太多钱，他们还考虑过用泥土或汽车车皮，但是想要更好地进行屏蔽一些不需要的粒子还得用钢板。”来自伊利诺伊州费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory）的瓦莱丽·希金斯说道。

天助物理学家也，这种钢板不仅廉价而且还很厚。1962年，纽约布鲁克海文国家实验室的美国物理学家利昂·莱德曼、杰克·施泰因贝格尔和梅尔文·施瓦兹可能是第一批将如此大量的战后金属纳入实验的团队之一。这三位科学家希望借此能更好地研究中微子。中微子是非常渺小又非常常见的粒子，但是大多数实验却检测不到，因为这种粒子几乎不与普通物质相互作用，可以说中微子就像鬼魂幽灵一般。

研究这些神秘粒子的特性需要独创性的思考。物理学家认为他们可以利用布鲁克海文交变梯度同步加速器的质子束来轰击一大块目标金属铍。这将导致不同粒子的簇射。在粒子簇射和最后探测器之间放置钢板将确保只有中微子能穿过。

除了省钱，这堆钢铁之所以能在粒子物理学研究中发挥作用还有另一个原因。这就会谈一个名词即“低背景钢”。最初是原子弹实验以及1945年广岛长崎原子弹的爆炸，接下来冷战初期也进行了核武器实验，世界各地的背景辐射水平因此都在上升。因为生产钢铁会使用到大气，所以现代钢铁受到了放射性核素的污染。而原子弹爆炸前生产的钢铁没有遭受这种核污染所以被称为低背景钢。杜克大学物理学家菲利普·巴尔博的实验中就使用了低背景钢，他还表示新产的钢通常受到了放射性钴污染。巴尔博说道“现代钢铁的放射性并不算强，但对于高精度物理实验来说还是不用为妙。”