颜学庆:激发粒子世界的能量

一提到研究微观世界，人们首先想到的工具就是显微镜。然而无论是倍数多么高，功能多么强大的显微镜，也有它观测不到的世界，比如构成这个世界的原子、中子、质子等粒子。但是随着科学技术的发展，粒子世界也有了专门研究它们的超级显微镜——粒子加速器。

粒子加速器：研究粒子世界的武器

1999年本科毕业于清华大学工程物理系，2004年6月获得北京大学理学博士学位；现为北京大学物理学院核物理与核技术国家重点实验室副教授，博士生导师的颜学庆正在从事这一领域的研究工作。

颜学庆告诉记者，粒子加速器其实并不深奥，它是研究物质世界的基本工具。简单来说，它是一个为粒子不断输送能量的增能器。高能量的粒子经过相互碰撞，那些看似结实的粒子就会像洋葱剥皮一样，将内部结构显露出来。以原子核为例，经过加速后的高能粒子在碰撞过程中，质子和中子也会乖乖地露出庐山真面目。经过这样抽丝剥茧似的研究，再到更加微观的夸克物质，也能被人类所了解。

虽然加速器最初只用来研究物质的内部结构，但时至今日，它被赋予了更多的内容，在医药、生物、航空和材料等方面都发挥着不小的作用。材料的无损检验是保证产品质量不可缺少的重要手段，加速器产生的X线、中子等都可用来检验材料的缺陷，特别是X 线，常常用来检查大型铸锻焊件、大电机轴、水轮机叶片、高压容器、反应堆压力壳、火箭的固体燃料等工件中的缺陷。医院做CT时需要的X射线，也通常是加速器产生的。由于高能粒子把能量沉积在射程的末端，加速器产生的粒子束可以作为治疗癌症的理想工具，它可以在不开颅、不损伤皮肤和脑内其他组织的情况下，精确地消灭体内的肿瘤细胞。高能粒子（质子或者重离子）目前已经成功地应用于癌症治疗，并获得了极大的成功。

常规粒子加速器通常体积庞大，造价高。颜学庆把研究的焦点聚集在了新一代紧凑型加速器——激光粒子加速器的研究上。从上世纪70年代至今，采用激光加速粒子的研究面临着极大的困难，粒子束能散问题和品质问题也没有得到解决。颜学庆试图借鉴常规加速器的知识来解决这个问题。通过阅读大量的文献，慢慢了解激光加速器的问题所在。他发现，由于质子的质量相比其他粒子要重得多，所以质子很难被加速。且这些质子不集中（能量差别大，速度不同）、能量低和质量差，不能形成一条集中的质子束，也就无法用于实际应用。

所以解决问题的关键，就集中在了如何使质子集中上。颜学庆打了个比方，每个质子就像路面上的车辆，有些开得快，有些开得慢，在路口为红灯时，车辆就会聚集在一起。只有质子聚集在一起时，单个的质子才能形成稳定、高效的质子束。这种群聚效应在现实生活中很令人烦恼，但却是激光加速器需要的。

面对质疑不灰心，实验验证加速原理

颜学庆告诉记者，激光加速器之所以能加速粒子束，是由高功率激光打到一个固体靶上产生。以前实验中用到的固体靶厚度太厚，激光就会被完全放射。这就像用高压水枪喷出的水柱冲向墙壁上一样，由于墙壁质量太大，墙壁获得很少的能量，大部分水柱会被挡住，水花四溅；当水柱冲向一块木板时，由于水的压力很大，木板也被水冲飞一样。他发现只要靶子能够变得足够薄，那么光束就推动靶子一起前进，这样质子就能始终保持在“堵车”的状态，形成稳定光束了。这一个巧妙的改变，却能让这些不听话的质子被迅速加速，而且变“乖”。经过多次的推导、演算，当他把靶子的厚度调整为只有十几层原子的薄厚时，飞溅的质子不见了，取而代之的是一条能量稳定的质子光束。

理论说起来很简单，但是在实际操作中，困难是无处不在的，有时单单一个问题，就要花费数年的时间去解决。比如如何做出可以自支撑、纳米级厚度的固体靶就是一道无法越过的坎儿。由于靶子的厚度比肥皂泡还要薄成千上万倍。所以当颜学庆在国际会议上提出这个设想时，几乎所有的人都质疑他，认为这种厚度的薄膜根本制造不出来。

“面对诸多的质疑我并没灰心，因为我坚信，科学理论的发展是走在前面的，而技术始终在后面追赶，肯定会有方法能把它制造出来。”颜学庆说。

在物理学上，一项理论是否正确，必须有实验来证明。为了证明他的理论，颜学庆开始想方设法制造出那个理论上的薄膜。“功夫不负有心人”，在得知德国马普量子光学物理研究所正好有一套极先进的设备时，带着实现梦想的决心，2008年，颜学庆踏上了前往德国的旅程。在无数次试验，改进，再试验，再改进的过程中，用了将近3年的时间，他们从实验上证实了这一新的加速原理。

回国后，颜学庆立刻开始筹备激光加速器实验室，并研制出了能够制造超级薄膜的设备。“目前我们是世界上少数几家可以精确制备自支撑、纳米级厚度固体靶的小组。”颜学庆自豪地说，下一步，他们还计划把理论付诸实际，开展台面大小激光质子癌症治疗仪的研制。“既然这项发现已经在实验中得到证实，接下来我们就要用它造福大众。”

在颜学庆看来，研究加速器是值得引以为傲的

颜学庆在加速器研究的道路上一路奔跑，而他获得的一系列奖项，就像脚印一样，记录了他不断进取的研究历程。2005年，他获得北京大学优秀青年加速器工作者奖，2007年入选北京市科委资助的科技新星计划。同年，他又获得中国核物理学会授予的“胡济民教育科学奖”，2008年，获钟盛标物理教育基金青年教师奖， 2009年获得第十届北京市青年优秀科技论文一等奖。期间，颜学庆还在国内外专业期刊上发表学术论文40余篇，受国际和国内学术会议邀请作报告20多次。

在颜学庆看来，这个加速器学科虽然是个小专业，但却是一项体现国家综合实力的工作，在这个行业干得越久，就越会生出一种自豪感。

长期从事加速器理论研究的北京大学陈佳洱院士，曾经对这个行业有过精辟的总结，而这句话也一直激励着颜学庆不断前进：“加速器的研究不但要瞄准世界最前沿的工作，为它提供研究工具，同时也要着眼于实际应用，并最终服务大众，所以，这个行业是一项顶天立地的事业。”