一個大學實驗室產生了三個諾貝爾獎？

在物理中，如果沒有高速帶電粒子，我們甚至連原子的結構是什麼都不清楚——自1909年開始，英國科學家盧瑟福用速度為2×10⁷m/s的高速α粒子束轟擊金屬箔（α粒子散射實驗），人類才逐漸揭開了原子的面紗。通過分析實驗結果，盧瑟福先後發現了原子核和質子，並且預言了中子的存在。

粒子加速器能夠產生很強的電磁場，通過電場力和磁場力，為其內部的帶電粒子加速，產生高速、高能帶電粒子。位於史丹福大學校園裡的美國SLAC國家加速器實驗室，專門致力於粒子加速器的建造和高速粒子的相關研究。這座實驗室自建造以來，取得了包括三項獲得諾貝爾獎的重大發現在內的累累碩果！

夸克在這裡被發現！

1911年和1918年，盧瑟福分別發現了原子核和質子。1932年，盧瑟福的弟子——英國科學家詹姆斯·查德威克發現了中子。至此，人類認為基本粒子（基本粒子是指人們認知的構成物質的最小或最基本的單位）就是光子、電子、質子和中子，其中的質子和中子是組成物質的最重要的粒子。但真的沒有比質子和中子更小的粒子了嗎？20世紀30年代產生的粒子加速器放大了人們的疑問——高速粒子相互碰撞產生了許多人類未知的粒子，這些粒子居然比質子和中子還小，而且它們的種類超過了100種，科學家們把它們與質子、中子一起稱為強子。但是，這麼多的粒子不可能都是基本粒子。

有科學家表示強子由更小的粒子——夸克構成。20世紀60年代初，美國科學家默裡·蓋爾曼就提出了夸克理論，認為質子和中子分別由3個夸克構成。夸克一共有3種，包括上夸克（u）、下夸克（d）和奇夸克（s）。但如何驗證夸克的存在？很明顯，我們需要將強子撞得粉碎，才能暴露出其最小的組成單位。這就需要建造更大的加速器。

於是，SLAC國家加速器實驗室應運而生。SLAC國家加速器實驗室（簡稱SLAC）位於美國加利福尼亞州史丹福大學校園內，是美國能源部下屬的國家實驗室，由史丹福大學負責運行管理。它始建於1962年，一開始它的名稱是「斯坦福直線加速器中心」（Stanford Linear Accelerator Center，同樣簡稱SLAC） ，因為當時實驗室打算建造一個超級巨大的直線加速器。直線加速器，顧名思義，它提供給帶電粒子前進並加速的軌道是直線型的。與此相對應的是回旋加速器，回旋加速器裡面供帶電粒子前進並加速的軌道是呈圓環狀的，粒子繞圓心做圓周運動。

歷經四年，一個長達3.2千米的世界上最大的直線加速器於1966 年建成，被稱為 「世界上最直的物體」。SLAC的直線加速器能將電子加速到光速的99.9999999%（光速是物體在空間運動的極限速度），能量達到50 GeV。具有如此高能量的電子能直接將質子和中子撞個粉碎，並且將夸克完全暴露出來。

20世紀六七十年代，美國物理學家弗裡德曼·肯德爾、理察·泰勒和亨利·肯德爾利用SLAC的直線加速器做了電子碰撞質子和中子的大量實驗，通過對碰撞的結果分析，以及長時間的探討，最終在實驗上證明了上（u）、下（d）、奇（s）三種夸克的存在，他們三位也因此獲得了1990年的諾貝爾物理學獎。

然而，蓋爾曼的夸克理論是不完善的。雖然中子和質子確實是由3個夸克組成，但夸克可不止3種，而是一共有6種——上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及頂（t）。第4種粲夸克，很快也將在SLAC內被發現。而這個夸克的發現，也誕生了一個諾貝爾物理學獎。

J粒子和τ粒子！

即使不知道J粒子是什麼，很多中國人也不會對這個名字感到陌生，因為該粒子是我們所熟悉的諾貝爾獎獲得者——美籍華人丁肇中先生發現並命名的。然而很多人不知道的是，幾乎在丁肇中發現J粒子的同一時間，美國物理學家伯頓·裡希特也發現了這種粒子，他稱為ψ粒子。該粒子最終被命名為J/ψ粒子。作為J/ψ粒子的發現者，丁肇中和伯頓·裡希特共同獲得了1976年的諾貝爾物理學獎。令我們驕傲的是，丁肇中先生的獲獎感言是用中文發表的，使得諾貝爾獎的頒獎典禮上第一次出現了「華夏之聲」！

為什麼J粒子如此重要？因為J粒子由1個粲（c）夸克和1個反粲（c）夸克組成。由J粒子，人們發現了第4種夸克——粲（c）夸克！後面人們又陸續發現了底（b）夸克及頂（t）夸克，夸克理論體系被逐漸完善。

裡希特發現J/ψ粒子的地方，就是在SLAC內。不過他依靠的不是直線加速器，而是利用了一臺於1970年起建，1972年建成並開始運行的名為「SPEAR」的正負電子加速環。正負電子加速環也叫電子環加速器（回旋加速器的一種），電子環加速器能產生正、負電子並將它們加速，然後碰撞，並產生許多怪異的結果。1974年，裡希特領導的實驗小組在SPEAR上開展物質與反物質（正電子就是反物質）的對撞研究。當正、負電子對撞時，它們在微小的爆炸中消失。在這一過程中，裡希特小組利用複雜的探測器發現了一種以前未知的基本粒子，這就是轟動全球科學界的J/ψ粒子。

然而，SPEAR的能耐可不只是這一個諾貝爾獎，它還產生了另外一個諾貝爾物理學獎——1975年，馬丁·佩爾利用SPEAR做物理實驗，發現正、負電子對撞後產生了一種被稱為τ子的新粒子，為此他榮獲1995年的諾貝爾物理學獎。τ子屬於第三代輕子，第一代輕子是1897年發現的電子，第二代輕子是1937年發現的μ介子。τ子是唯一可以衰變成強子的輕子，τ子的發現使得人類對輕子的研究又進了一步。而輕子和夸克，正是組成這個世界的基本粒子。可以說，SLAC在尋找基本粒子方面，做出了不可磨滅的貢獻。

大眾化的斯坦福同步輻射光源

帶電粒子在接近光速的高速狀態下沿弧形軌道運動時會發出電磁輻射，被稱為同步輻射。很長時間以來，同步輻射一直不受科學家的歡迎，因為它消耗了加速器中的粒子的能量，影響了加速效果。但人們很快便了解到同步輻射是一種非常好的脈衝光源，它包含了從遠紅外到X光範圍內的連續光譜，具有高強度、高度準直、高度極化、特性可精確控制等優異性能。同步輻射可以被用來開展其它光源無法實現的科學研究——例如測定蛋白質的三維機構、測定材料中原子的電磁結構參數、動態觀測分子水平上的生命活動等。

1973年，以SPEAR為基礎，SLAC開始建造同步輻射光源。該同步輻射光源被命名為斯坦福同步輻射光源，簡稱SSRL。1977年，SSRL竣工並投入使用。在此之前，SLAC一直以粒子物理實驗為主，此後，同步輻射實驗成為SLAC的重要工作內容。如果說SLAC的直線加速器和電子環加速器只是供極其高端的科學研究使用的話，SSRL則非常的「親民」，因為其應用的廣泛性，它有償開放給民間的各種研究機構、研究部門使用。SSRL一年內約有9個月為用戶運行，它裡面有32個實驗站供來自大學、工業部門、政府實驗室和國外研究機構的用戶進行實驗。目前，已經接近有100家美國公司使用過SSRL，並且每年用戶的數量還在增加。

當然，不止直線加速器、SPEAR和SSRL，SLAC還有很多非常先進的加速器，例如電子對撞機、直線對撞機等，這些都顯示了SLAC非常強大的科研實力。