会有剧毒健康呢,为何核聚变总在30年后
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进入地铁、火车站和机场的时候,安全员都会对人和行李进行安全检查。大多数人的经验是,行李要放在包裹安检仪的传送带上,被X射线照一下,旅客要经过一个能探测金属物体的门,再让安全员“摸”一遍。

(刘人/编译)长久以来,核聚变一直被视为能源研究的圣杯。它代表了一种几乎无限的能量来源,洁净,安全而自持。自从1920年代英国物理学家亚瑟·埃丁顿提出关于核聚变的理论以来,核聚变已经激起了了科学家和科幻作家的无数遐想。

(王劈柴/编译)来自匈牙利的科学家在实验中观测到了放射性衰变中的一个异常现象,这或许意味着一种前所未知的自然界第五大基本力的存在——如果这项发现是正确的话。

可是近日有消息称,成都双流机场使用了一种“弱光子人体安检仪”,不但行李要被“照相”,就连人也要被“照相”了。大家不禁担心起来:“弱光子”照在我们身上,会损害健康吗?

奥门金沙网址 1联合欧洲环形托卡马克装置的内部。图片来源:EUROfusion

【高能物理预警】下文有大量玻色子出没,记不住粒子名字的可以先看太长不看版Q&A

Q:是大新闻吗?
A:如果他们没搞错,那就是大新闻,顶级的大新闻。其他物理学家正在验证他们有没有搞错。

Q:到底有多大?
A:就像第一个希腊人发现原来世界不光是由地水火风组成的。

Q:(小声)那应该是啥
A:世界由很多基本粒子组成,但粒子间还有相互作用力。过去我们以为一共只有四种力。引力让地球不散架,电磁力让人不散架,强力让原子核不散架,弱力做一些别的奇怪的事情。现在,我们可能找到了第五种作用力。
奥门金沙网址 2目前物理学界公认的四大基本力。图片来源:phdcomics

Q:那科学家是不是吓尿了?现代物理学是不是全错了?
A:其实并没有,因为我们已经知道物理学是不完整的。比如宇宙里有个东西叫做暗物质,它占了宇宙的80%质量。看起来它有可能就受到了一种额外的未知的力(但也可能没有)。所以过去这几年其实研究者一直在找有没有第五种力。

Q:而现在找到了?
A:也许吧。物理学家是观察到了奇怪的现象,针对它的验证也将在一年内完成,但是这个现象就算是真的,也不一定是因为第五种力。

奥门金沙网址,Q:你们物理学家咋这么磨叽啊,就不能一次给个准信儿?
A:那得怪自然界的秘密藏太深,报道上出了偏差可负不起责任。

匈牙利国家科学院核子研究所的阿提拉•卡撒兹纳霍凯(Attila Krasznahorkay)和其同事首先于2015年将他们的惊人结果发表在了arXiv论文预印本网站上,又于今年一月正式发表在了《物理评论快报》上。这篇论文认为存在一种新的轻玻色子,只比电子重34倍,但这一报告没有引起大规模关注。

接下来,一组美国理论物理学家于4月25日在arXiv上发表了自己对这一结果的分析,使这项发现得到了更广泛的关注。他们证明,这些数据与之前的实验都不冲突,并得出结论称这有可能是第五基本作用力存在的证据。“我们让它变得相对不那么隐晦了,”这份arXiv报告的第一作者、加州大学欧文分校的冯孝仁这样说。

四天之后,冯的两位同事在SLAC国家加速实验室的交流会上讨论了这项发现。来自托马斯•杰斐逊国家加速器实验装置的物理学家博格丹•沃切豪斯基(Bogdan Wojtsekhowski)说,会上的研究者对此发现持怀疑态度, 但是依然感到很兴奋。 “交流会的许多与会者正在构思不同的方法来检验这个发现,”他说。欧洲和美国的团队表示,他们应该能在大约一年以内证实或证伪匈牙利的实验结果。

“弱光子”就是X射线

“弱光子人体安检仪”,实际上是一种X射线成像装置。它的原理是将一定量的X射线照在人体上,通过形成的影像检查是否存在违禁物品。“弱光子”并不是X射线的专业术语,应该是生产商独创的。

X射线是一种电离辐射。当人体受到电离辐射的照射时,会有一定概率导致分子电离、化学键断裂、DNA损伤,进而引发人体的生理反应(如损伤修复或细胞死亡)。

这样的生理反应每时每刻都在发生,因为我们的生活环境中本来就存在一定强度的电离辐射,叫做本底辐射。本底辐射似乎并未对我们的身体造成什么明确的影响,是因为两个原因。其一,本底辐射的剂量很小,低于一定阈值,因此不会产生电离辐射的确定性效应(如组织损伤)。其二,除了本底辐射之外,我们生活中还会接触各种致癌致畸因素,例如香烟、酒精和空气污染等等。在剂量很低的时候,我们没法分辨一个有害的结果究竟是哪一次跟哪个因素的接触起了作用。因此,尽管从受精卵形成开始,我们就沐浴在本底辐射的狂轰乱炸中,却一直没有感觉到它的存在。

从本质上来说,核聚变是个很简单的概念。聚拢两个氢同位素原子,用压倒性的力量把它们撞在一起;两个原子核克服了它们之间天然的排斥力融合到一起,发生反应,释放出巨大的能量。

寻找新的基本力

引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力是物理学家已知的四种基本力,但研究者也曾提出过许多目前尚未证实的、关于第五种力的推断。在过去的十年间,由于粒子物理标准模型难以解释暗物质——一种被认为占宇宙质量80%以上的不可见物质,对新基本力的研究陡然增多。理论学家提出了各种异常物质(exotic-matter)粒子和载力子(force-carrier),包括 “暗光子”——这是在类比能传递电磁力的正常光子。

卡撒兹纳霍凯称,他的团队当时在寻找的就是这种“暗光子”——但冯的团队认为他们找到的是另一种东西。匈牙利团队用质子轰击锂-7薄靶,制造出不稳定的铍-8核,铍-8核会发生衰变,并释放成对的电子和正电子。根据标准模型,随着电子和正电子轨迹之间的角度增加,物理学家观测到的正负电子对的数量应该降低。但研究团队报道称,在二者成大约140°角时,这样的正负电子对数量突增——在正负电子对随角度变化的曲线上制造了一个“凸起”——当角度继续增大,正负电子对的数量又重新降低。

奥门金沙网址 3在140度左右,释放出的正负电子对数量增加了。图片来源:arxiv.org/abs/1504.01527v1

卡撒兹纳霍说,这个“凸起”有力地证明,不稳定的铍-8核中有一小部分以一种新粒子的形式释放了多余的能量,这种新粒子进一步衰变成了正负电子对。他和同事计算得出,这种粒子的质量大约是17兆电子伏(MeV)。

“我们对我们的实验结果非常有信心,”卡撒兹纳霍说。他说,研究团队在过去的三年中将测试重复了许多遍,并且排除了所有可以想象的误差。研究团队说,如果真的排除了误差,那么观测到如此极端的现象但却没有异常的现象发生的概率是两千亿分之一。

冯和他的同事则认为这个17MeV的粒子不是暗光子。在对异常现象进行分析,并寻找了与前人的实验结果相一致的特征之后,冯的团队得出结论,认为这种粒子可能是一种“疏质子X玻色子”(protophobic X boson)。这种粒子传递的可能是一种只在原子核宽度数倍以内的距离中起作用的极短程力。暗光子(和常规光子一样)与电子和质子耦合,而这种新的玻色子则会与电子和中子耦合。冯说,他的团队目前正在研究其他可以解释这项异常的粒子,但是疏质子玻色子是“最直接的可能性”。

剂量太小,风险难以验证

电离辐射的一个常用剂量单位是毫希沃特(mSv)。平均而言,一个人每年受到的本底辐射大约是2.4毫希沃特。根据美国国家标准局制定的N43.17号标准[1],X射线安检仪在每次检查时造成的辐射剂量不得超过0.25微希沃特(μSv;1微希沃特是1毫希沃特的千分之一),这相当于普通人一年所受本底辐射剂量的万分之一。

科学家假设,在剂量很低的时候,电离辐射引发癌症的概率和剂量之间呈线性关系。在X射线安检仪中照一次相,剂量最多等于每年本底辐射剂量的万分之一,它造成实际危害的概率最多就相当于每年本底辐射的万分之一。实际上,由于低剂量照射可能引发的癌症病例数(相比该人群的癌症病例总数)太少,这样的假设很难通过研究受照人群的癌症发病率而得到验证。因此,假设仍然停留在假设阶段。

例如,中国国家疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所网站上的一份资料显示[2],受地质因素影响,广东阳江部分地区居民受本底辐射照射的年平均剂量比一般人高很多,为6.4毫希沃特。按照之前的假设,他们的癌症发病率也应该是一般人的2倍多。但即便考虑剂量的终身累积,流行病研究仍然没有发现当地居民在癌症发病率、自然流产率、多胎率、不育率、新生儿死亡率、儿童生长发育等方面存在显著不同。

于是,0.25微希沃特到底会产生多少影响就更加没法验证了。美国FDA认为,“通常的X射线安检系统拍摄一张照片的剂量非常低,对一个人造成的风险极为微小”[3]。并且,旅客通过安检后还要乘坐飞机,由于高空中的宇宙射线更多,乘坐飞机本身就是一个接受额外电离辐射照射的过程。FDA宣称,“一个符合标准的全身性X射线安检装置,其辐射剂量必须低于乘客在飞行的航班上4分钟内所接受的辐射剂量”。言下之意是,如果你不怕“坐飞机致癌”,那也不必担心因为要坐飞机而接受的额外的安检辐射照射。

奥门金沙网址 4一款名为TrackYourDose的app可以通过数学模型计算一次飞行接受的辐射剂量。图片来源:TrackYourDose

但是,回报越大,投入也需要越大,而数十年来,我们一直与一个难题缠斗不休:如何为氢燃料提供能量并保持它不逃逸,直到它升温到8000万度以上?时至今日,最成功的几次聚变实验已经成功将等离子态的氢燃料加热到了超过5亿度,并且在3.5分钟内维持为一团等离子——虽然这并不是在同一次实验中,也不是在同一个反应堆中实现的。

非常规耦合

来自麻省理工学院(MIT)的理论物理学家耶西•泰利尔(Jesse Thaleer)称,冯的团队提出的非常规耦合让他怀疑新粒子是否存在。“如果我能随心所欲地修改标准模型,这肯定不是我会写下的第一件事,”他说。但是他补充说他“正关注着”这种说法。“也许这是我们对超越可见宇宙的物理学的第一瞥。”他说。

研究者应该很快就能发现17MeV的粒子是否真的存在。杰斐逊实验室设计的“暗光”(DarkLight)实验通过向氢气靶轰击电子,寻找质量在10-100MeV之间的暗光子。MIT的合作发言人理查德•米尔纳(Richard Milner)称,现在,实验会将17MeV范围设定为首要目标,在约一年以内,暗光实验要么可以发现这种粒子,要么能对它与普通物质的耦合设定严格的限制。

奥门金沙网址 5匈牙利国家科学院核子研究所的物理学家使用了正负电子谱仪。图片来源:MTA-Atomki

其他将要搜寻该玻色子的还包括欧洲核子研究中心(CERN),他们的LHCb实验将会研究夸克-反夸克衰变;此外还有两项正电子轰击固定靶标的实验——一项将在罗马附近的意大利核物理研究院(INFN)弗拉斯卡蒂国家实验室进行,预定2018年启动;另一项将在俄罗斯新西伯利亚西伯利亚城的布德克尔核物理研究所进行。

纽约石溪大学的理论物理学家、同时也是SLAC工作交流会组织者之一的鲁文•艾西格(Rouven Essig)认为,这种玻色子“有些意想不到”的特性使得理论很难被证实。但是他欢迎各项测试。“不做其他实验来检验这个结果那是发疯,”他说。“自然界以前就给过我们惊喜!”(编辑:Ent)

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