物理粒子飞行作为实用工具

古鳄鱼最后的一餐或许永远不会为人所知，如果不是研究人员决定用中子束扫描嵌在岩石中的化石。科学家们最初的目的是了解中子——原子核的组成部分之一，另一部分是质子——是否能比X射线提供更清晰的化石图像。他们令人惊讶地发现，一只生活在白垩纪的鳄鱼在死亡前曾食用过一种此前未知的幼年鸟脚类恐龙。这项考古发现只是众多因亚原子粒子而变得可能或更容易完成的成就之一。这些微小的物质粒子长期以来一直吸引着物理学家，他们试图理解自然的基本规律。但如今，它们在实际应用方面也显示出巨大的潜力。研究人员越来越倾向于使用质子、中子、μ子和中微子作为工具，用于精确地治疗复杂肿瘤、探测化石和火山，以及揭示地球的隐藏结构，其用途正不断扩大。癌症杀手导弹 质子是丰富的。与中子和电子一样，它们也是构成我们和我们周围一切事物的原子成分。纽约市纪念斯隆-凯特琳癌症中心的南希·李表示，当质子从原子中分离出来并在粒子加速器中加速后，它们就成为一种更安全且更有效的癌症治疗工具，相比常见的X射线和伽马射线疗法，“质子总是更好”。然而，目前患者仍然选择其他治疗方式的主要原因，是提供这种疗法在成本和物流上的挑战。“现在，质子束治疗的等候名单超过一个月。”李说。 癌症的质子治疗始于20世纪50年代。但到2000年初，只有不到1万人受益。从那时起到现在，接受治疗的患者数量激增到全球约20万人。治疗设施也从世纪初的十几个增加到如今的100多个以上。医生可以调节质子束的能量，以精确摧毁特定目标，通常是癌症肿瘤，而不会伤害到附近器官。这与历史上常用作癌症治疗手段的X射线和伽马射线不同，后者会导致肿瘤前后健康组织的损伤。这两种光子，或称光粒子，都会对肿瘤前后的健康组织造成伤害。然而，质子束对肿瘤前面的组织造成的损伤较少，而对后面的组织则几乎没有影响，这是因为质子在穿过材料（包括人体）时会以特定方式释放能量。当加速的质子进入人体时，它们会因为与细胞中的原子发生碰撞而失去一些能量。但它们不像光子那样沿路径均匀释放能量。相反，质子在行进一段距离后，会以一次快速的爆发释放能量，而这段距离取决于质子的初始能量。通过调整来自加速器的质子能量，医生可以选择穿透深度，将其精确送达目标。这有点像将一枚癌症杀手导弹送入肿瘤：导弹穿过身体的路径会造成一些损伤，但最终爆发的伤害更大。 质子的重量和电荷使它们能够实现精确的穿透。理论上，更重的粒子可以实现更高的精度。研究人员正在研究依赖带电碳原子的放射治疗，碳原子包含六个质子和六个中子，因此比单个质子更重。但李认为，质子已经足够精确，短期内仍将是更成熟的选择。她相信，质子治疗将因一种称为“FLASH疗法”的短暂且高强度的质子束治疗而变得更加有效，该疗法目前正处于研发阶段。 中子扫描仪 那只白垩纪鳄鱼在进食恐龙的例子展示了基本粒子的另一种日益增长的用途。“起初我非常震惊，甚至都不相信。”澳大利亚新英格兰大学的古生物学家马特·怀特说，他与人合著了描述这一发现的《冈瓦纳研究》论文。“化石化的胃内容物极为罕见，尤其是对鳄鱼而言，它们拥有动物界最强的胃酸。”如果没有中子断层扫描技术，这种中子成像方法，想要揭示这不幸的恐龙的存在，除非将化石拆开，否则别无他法。 中子的质量与质子相似，但不具备电荷。这使它们更容易穿过物质。中子曾在癌症治疗方面有应用历史，但自1990年代以来，逐渐被质子束取代。如今，中子在成像方面的潜力正在上升。中子可穿透铅和其他X射线难以穿透的高密度材料，无需拆解发动机、燃料电池、邮件包裹，甚至核弹头，即可获得其内部结构的图像。目前，中子成像的主要来源包括核反应堆和粒子加速器，它们以高能质子撞击钨或汞等重金属，从而释放中子。这些粒子已广泛使用了几十年，但新的成像技术正在将应用领域扩展到地质科学中对岩石和沉积物的研究、对艺术和文物的无损分析，甚至对活体植物的观察。 从美国国家航空航天局（NASA）太空望远镜借鉴而来的镜面技术，正接近实现中子成像在微小尺度上的突破。“我们希望能很快实现首个实用的中子显微镜。”美国国家标准与技术研究院的物理学家丹尼尔·休斯说。制造中子透镜十分困难，但只要使用中子反射性能良好的材料，镜面也可以聚焦这些粒子。“我们启动了一个项目，与麻省理工学院和NASA马歇尔太空飞行中心合作，将用于X射线望远镜的镍箔镜面进行改造。”休斯表示。镍恰好是一种对中子具有良好反射性能的材料，他预测这将使团队能够将高能中子束聚焦到百万分之一米的尺度。最终的结果将是获得结构比红细胞还小的高分辨率中子图像，为我们打开通向微观世界的新窗口。 德国离子束技术中心自1970年以来一直使用质子治疗眼睛肿瘤，特别是视网膜黑色素瘤。 Credit: Geilert/Agencja Fotograficzna Caro/Alamy Stock Photo 实用粒子照耀 地球布满了来自高空大气的粒子。μ子是电子的更重形式，它们广泛存在。中微子则是一种几乎无质量、无电荷的粒子，可以轻易穿透物质。 宇宙射线生成的中微子正处于提供其他地质方法无法提供的地球信息的边缘。由于中微子没有电荷，它们不会因原子中的质子和电子而改变路径，因此能探测得比μ子更深。它们几乎不受任何比地球小的物体影响，但它们有潜力提供其他技术无法匹敌的地球内部图像。“地球周围到处都是来自各个方向的中微子，因此我们能够获得大量数据。”弗吉尼亚理工大学的丽贝卡·佩斯特斯说，她分析了未来中微子探测器扫描地球的潜力。目前，地震学提供了更清晰的地球内部图像。但佩斯特斯认为，由于中微子在旅行过程中具有一个独特特征——它们会根据穿过物质的化学组成而改变状态，因此它们最终可能提供地球内部的详细图像。“振荡断层扫描能够提供一种更直接的方式来测量地球的组成。”巴黎城市大学教授维罗妮克·范·埃莱维克说。 中微子也直接从核反应堆和放射性废料中流出，这导致了一些利用它们来验证国际核协议的提议。特别是为核潜艇设计的探测器可在无需进入受保护区域的情况下提供诊断和监测。不过，这个想法仍处于初步阶段。 这些用途只是粒子在越来越多领域中可以派上用场的一些例子。白垩纪鳄鱼胃中那只不幸的恐龙，是随着粒子工具箱不断扩展而出现的意外发现之一。这不会是最后一个。