想探測到組成物質的基本粒子，並非需要超級巨大的探測器。說出來你可能不信，我們自己在家就能搭一個簡易的探測器——可以觀測到那些來自遙遠宇宙的粒子的運動軌跡。
撰文 | 劉航
你是否有為孩子做科學實驗的困擾？現在有機會讓你的孩子成為班裡最靚的仔。自己動手，來一把粒子物理探測實驗，用不太複雜的操作就能看到基本粒子在客廳中穿梭的徑跡！
雖然用眼看不到，但基本粒子作為背景輻射卻時刻在我們身邊。天然的背景輻射（簡稱天然輻射）源包括宇宙射線 ，岩石中元素的放射性衰變 ，還有生物體中放射性元素的衰變（比如香蕉中的鉀-40）。宇宙射線是極高能量的亞原子粒子（主要是伴隨有電磁輻射的質子和原子核），它們穿過太空，飛向地球。當它們撞擊地球的大氣層時，會與大氣層中的粒子發生散射，產生次級粒子穿過大氣層來到地球表面。當宇宙射線穿過雲層時，會產生肉眼可見的幽靈般的粒子軌跡。
提到粒子探測，近年來科學新聞裡最常提到的應該是歐洲核子研究中心的大型強子對撞機 (Large Hadron Collider)，這也是目前粒子物理領域最頂尖的大科學裝置。這個探測器的規模是超出我們想象的：它們重達數千噸，包含數百萬個探測單元，是由數千名科學家組成的國際合作組共同支援的研究專案。
但粒子探測器並不總是那麼龐大和複雜。有些粒子探測器可以非常簡單，重達千噸的LHC也是從最簡單的探測器開始發展起來的。雲室是最古老的粒子探測器之一，粒子物理學歷史上的多項發現都與其有關，它還直接導致了兩項諾貝爾獎的誕生。英國物理學家查爾斯·威爾遜（Charles Thomson Rees Wilson，1869-1959），本想研究潮溼空氣中的雲的形成和光學現象，卻無意中發明了雲室——第一臺粒子探測器。他於 1911 年完善了第一個（擴充套件）雲室，並於 1927 年獲得諾貝爾獎。美國物理學家卡爾·安德森（Carl David Anderson，1905-1991） ，在 1932 年和 1936 年使用膨脹雲室發現了正電子和繆子，他因發現了正電子獲得1936年諾貝爾獎。
雲室對早期亞原子粒子的研究是非常重要的，隨著觀測技術以及加速器的不斷髮展，這樣原始的探測器留在了歷史長河中。但透過觀測粒子的軌跡來研究粒子性質這一方法，至今仍應用在大型加速器上，是粒子物理領域最重要的研究手段之一。追隨歷史足跡，威爾遜單槍匹馬就能搭建雲室，意味著我們也有機會在自己家裡打造一個雲室，在家裡就可以實現對粒子軌跡的觀測。
今天，我們介紹一個家庭版雲室探測器的製作方法，利用蒸發的酒精製造出一種“雲”，以實現對粒子的觀測。
雲室的工作原理
首先，我們先來了解一下雲室具體的工作原理。
當帶電粒子在空氣中運動時，它會與大氣分子發生碰撞，而使空氣分子發生電離。氣體分子被電離後會吸引極性分子（水和酒精都是極性分子）。這時，如果周圍是極性分子的過飽和蒸氣，極性分子就可以以電離後的氣體分子為凝結核而液化。這樣極性分子不斷聚集，會形成肉眼可觀察到的雲霧狀微小液滴。所以，如果我們看到了“雲霧”的痕跡，就說明看到了粒子的運動軌跡。
為了能在實驗中觀察到上述的現象，我們需要在一個密閉容器裡充滿極性分子的過飽和蒸汽來製造“雲”，以此建造我們的“雲室”。過飽和蒸氣是指在一定溫度下超過飽和蒸氣應有的密度而仍不液化或凝華的蒸氣，它的特點是不穩定，如果出現凝結核就會液化或凝華。形象地說，就像在涼爽的秋天早晨草葉上的露珠，容器中過飽和蒸汽會在它可以粘住的任何物體上形成雲狀液滴。
雲室可以由不同型別的過飽和蒸氣來實現，我們這裡用酒精或者異丙醇。在一個密閉的容器內，使容器頂部溫熱並且底部冷。溫暖的頂部將酒精/異丙醇汽化，汽化後的蒸氣在底部液化，這樣在容器的底部就易形成過飽和蒸氣。當粒子帶電粒子透過蒸氣時，會使空氣分子電離。蒸氣中的酒精/異丙醇是極性分子，它們會被吸引到電離粒子的周圍。然後凝結成雲霧狀滴落到容器底部。雲室內形成的軌跡，可能看起來就像飛機的軌跡一樣——細長的線條標誌著粒子粒子穿過雲室的路徑。
建造雲室需要如下的材料和幾個簡單的步驟：
需要的材料：
- 密閉的容器：透明的塑膠或玻璃容器（如魚缸）。容器必須保持密閉才能保證酒精處於過飽和蒸汽狀態；
- 異丙醇或酒精（濃度90% 或更高）。處理時帶上護目鏡，請避免兒童觸碰；
- 毛氈，也可用海綿或一次性紙巾等能吸水的材料。酒精和異丙醇易受熱揮發，為了讓密閉容器內充滿足夠的過飽和蒸汽，需要毛氈吸收足夠量的酒精或異丙醇。
- 固定裝置。要將毛氈固定在密閉容器內，根據你的實際容器選用。因為容器內是異丙醇或酒精蒸汽，會使膠水溶解失效。可以用口香糖或者黏土
- 乾冰（固態二氧化碳，網購可買到）。這是為了讓容器底部保持低溫狀態，處理乾冰時請戴上厚手套；（注：如果你想嘗試不用幹冰的方法，見參考資料[5]）
- 一個盛放乾冰用的扁平的容器和蓋子。但注意不要太深而擋住視線。
- 足以覆蓋容器蓋子大小的黑色的金屬板或黑紙。黑色可以吸收光線消除反射，有利於觀察粒子產生的軌跡。金屬板有更好的導熱效果使密閉容器下端保持低溫。
- 照明裝置
實驗步驟：
1. 將毛氈剪成魚缸底部的大小，將它固定在魚缸底部。 固定好毛氈後，用異丙醇/酒精將其完全浸溼，但上面不要留有液體。（不要喝！）
2. 在扁平盒子中放入乾冰。
3. 先將蓋子蓋在乾冰上，黑色金屬板/黑紙放在蓋子上。
4. 將魚缸倒扣在下方盒子上，底部朝上，蓋嚴。
現在，我們的家庭版自制雲室就已經完成了！為了保持上端溫度（使酒精加熱形成酒精蒸氣，而使雲室內形成過飽和蒸氣），可以在雲室頂部放一杯溫水。如要想要更好的觀測效果，我們可以在黑暗的環境下，用手電筒照射透明容器觀察。一切準備就緒，只需等待大約10分鐘，我們就能看到粒子留下的軌跡。
粒子透過雲室
你也許會看到許多不同形狀的軌跡，它們不是同一種粒子留下的。常見的軌跡有以下幾種型別。
- 短而粗的軌跡
短而粗的軌跡（大約5cm長），表明粒子不是來自宇宙射線。它大機率是一個大氣中的氡原子衰變放出一個氦核而留下的。氡是一種天然存在的放射性元素，但它在空氣中的濃度很低，其放射性低於花生醬。從氡原子中放出的氦核，體積大且能量低，因此它們會留下短而粗的軌跡。
- 長而直的軌跡
長而直的徑跡是來源於次級宇宙粒子，如粒子的μ子和它的反粒子正μ子。當宇宙射線撞擊大氣層高處的大氣分子時會產生成對的正負μ子。它們使周圍的空氣分子電離，因為它們質量很大，與空氣分子散射，會留下乾淨、筆直的軌跡。當然這些軌跡也可能是高速電子的軌跡。
- 捲曲路徑
如果觀察到的軌跡看起來像一個迷路的遊客行走的路徑，那你有可能觀測到了慢速的電子或正電子。當宇宙射線撞擊大氣分子時，產生最多的是成對電子和正電子。也有可能是來源於光電效應的慢速電子。慢速的電子和正電子是比較輕的粒子，當它們撞擊空氣分子時會反彈，留下鋸齒形和捲曲的軌跡。
- 有分叉的軌跡
如果觀察到的軌跡有分叉，那你很可能剛好看到了一個粒子的衰變過程。許多粒子是不穩定的，會衰變成更穩定的粒子。當然也有可能是其他過程（比如電子μ子散射）。
雲室還有進階玩法
- 比較常見的如堅果、香蕉、粘土，都是生活中的放射源，請將其放在雲室附近，觀察輻射增加會有什麼影響？
- 雲室為測試遮蔽輻射的方法提供了極好的機會。在放射源和雲室之間放置不同的材料：水，一張紙，金屬片，我們的手等各種材料。哪種材料的防輻射效果更好呢？
- 嘗試在雲室中加上磁場。將磁鐵放在雲室旁，觀察帶正電荷和負電荷粒子將在相反的方向上彎曲。
更多的嘗試，讓我們瞭解更多的物理現象。是不是有趣到停不下來？
粒子探測器不僅對粒子物理學的發展至關重要，現在它也已經延伸到科學、工業乃至生活各處，從藥物開發、醫學成像、分析古代文物，測試新材料、保護宇航員等都發揮著重要作用。這不僅使我們的生活更安全、更健康，也使我們的知識更豐富。
所以，快自己動手體驗一下吧！
參考資料
[1] https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1745504
[2] https://scoollab.web.cern.ch/sites/scoollab.web.cern.ch/files/documents/20200521_JW_DIYManual_CloudChamber_v7.pdf
[3] https://www.symmetrymagazine.org/article/january-2015/how-to-build-your-own-particle-detector
[4] https://www.symmetrymagazine.org/article/september-2014/detectors-in-daily-life
[5] https://www.youtube.com/watch?v=gt3Ad5_Z5IA
