◇◇新语丝(www.xys.org)(xys8.dxiong.com)(xys.ebookdiy.com)◇◇   缪子与反恐   作者:宇筠锋   缪是希腊字母μ的音译,缪子就是μ子。缪子是什么?它反什么恐?又怎么 反呢?   原子弹若用于恐怖袭击,那后果不堪设想。如今只需几公斤的钚239或十几 公斤的铀235就可制造原子弹,而全球核设施中的这两种核材料有成百上千吨, 恐怖分子欲盗取并转运它们的可能性显然是存在的。在偷运过程中,他们通常会 使用一层较厚的高密度材料(如铅或钨)来包裹钚或铀,这样既能阻挡核材料不 断衰变时发出的射线以躲避探测放射性的一般设备的检查,又能使专门的爱克斯 (X)射线甚至伽玛(γ)射线成像技术也因所发射线的穿透能力有限而无法探 查到被铅钨屏蔽的铀钚。在此情况下,本文的主角缪子就要闪亮登场了!   当代物理关于物质结构的标准模型理论认为实物粒子的基本单元是三代轻子 和三代夸克。第一代轻子中有我们耳熟能详的电子,而缪子则是第二代轻子中的 一员。缪子在许多方面都与电子极其相似,一个最重要的区别就是缪子比电子重 了两百多倍,有人称之为胖电子或重电子(第三代轻子中的陶子比电子重三千多 倍,是超胖电子);另一个重要区别是:若无意外,电子几乎可以说是长生不老 的,而缪子则很短命,平均来说仅有两微秒(百万分之一秒是一微秒)多一点。 胖电子刚诞生一小会儿,就衰变成了一个电子和两个中微子。   通常,探测用的爱克斯射线都是用高电压的阴极射线管产生的,而伽玛射线 则由某些放射性核素(如钴60)产生。那么,缪子又从何而来呢?它也需要专门 的设施来人工制备吗?不,它不需要,大自然就在时刻不停地制造着缪子。利用 这些现成的缪子,省掉粒子源这一环节而只需探测设备,正是缪子探查核材料技 术的一大优点。   来自遥远太空的宇宙射线(主要是高能质子)持续不断地轰击着地球,若无 大气层的保护,生命将会大量灭绝。宇宙射线与大气分子的猛烈碰撞导致了一系 列的基本粒子的生成及衰变反应,产生了一大批各种各样的微粒,其中就有缪子。 这些胖电子诞生于距地面一二十公里的高空,若按经典物理,以其两微秒的平均 寿命,即便缪子的速度快到非常接近于光速,它们中的大多数向下飞行六七百米 也就会衰变而消失,能活着飞到地面的长寿命(是平均寿命的几十倍)缪子少之 又少、几近于无。然而,事实并非如此,大部分缪子其实都能飞临地面来为我们 的反恐斗争作贡献。原来,按照相对论,高速飞行的缪子一定伴随着“钟慢效应” ――在地面的观察者看来,极近光速的缪子上的一切进程(包括时钟的运行速率) 都变慢了(越接近光速越慢),也就是说,高速运动的缪子的平均寿命看起来大 大延长了,所以,它们大多都能活着来到地面。不过,从缪子本身的角度看,事 情完全是另外一种状况:胖电子们悲哀地发现它们两微秒的短命一点儿也没变长, 但是相对它们高速掠过的大气层却因相对论的“尺缩效应”而变薄了许多,于是 它们也能亲临地面参与反恐了。这是相对论众多美妙图景中的一个――尽管在不 同参照系中对同一过程的描述大不相同,但结果却一点儿也不相互矛盾。   胖电子们速度极快,因而能量极高,平均可达三四十亿电子伏特(eV,1eV 相当于一个电子经过一伏特电压的电场所改变的能量),这相当于医学透视用的 爱克斯射线的光子们的能量的几百万倍。好在缪子数量远比爱克斯光子少(每秒 钟每平方米海平面上约有170个缪子穿过),不然,生命哪里受得了?   缪子穿越物质时会不断与遭遇到的原子相互作用,其间主要通过两种方式来 消耗自身能量而逐渐慢下来直至停止。第一种方式是缪子分出一小部分能量给原 子让其激发或电离。每个原子的电离能约三四十电子伏特,缪子的能量若全用于 电离,那一个缪子就可让一亿个原子电离。一种灵敏的位置探测仪器可以侦测到 电离后产生的离子或电子的位置,由此可推断出缪子行进的轨迹。缪子耗能的第 二种方式是所谓的轫致辐射――带电的缪子在原子核的电磁力的作用下变速拐弯 儿时因有加速度而辐射电磁波。经典电动力学指出辐射总量的大小与加速度的平 方成正比。我们来对比一下电子与缪子的辐射:在其他条件都相同时,根据牛顿 第二定律,小质量的电子的加速度比缪子大两百多倍,相应的轫致辐射就要大上 四万多倍,所以,缪子的辐射损耗相当小;再加上缪子初始动能很大以及它并非 每经过一个原子都会使后者电离,因此,缪子的穿透能力很强,能贯穿两米厚的 铅板,这令伽马射线都望尘莫及。也正因这一优势,人们才想到要邀请缪子来参 与反恐。   原子序数越大,其核的电磁力就越大,其他条件相同时,重核将使缪子拐更 大的弯儿,这样经过一块含有重核的被测物体后,缪子的出射轨迹与其入射轨迹 相比就会有更大的偏离。正是通过对这种大角度散射的辨认,人们可以推断被测 物体中是否隐藏着铅钨乃至铀钚这些重核,从而让恐怖分子想偷运的核材料难以 遁形。   总之,不花钱就随处可得的缪子凭借其超强的穿透本领以及重核大偏角的轨 迹特征正在帮助人类离恐怖主义更远一些。 ◇◇新语丝(www.xys.org)(xys8.dxiong.com)(xys.ebookdiy.com)◇◇