如果不是研究人員決定用中子束掃描岩石包裹的化石，那麼古代鱷魚的最後一餐可能永遠不會為人所知。科學家們最初的目標是看看中子——原子核的組成部分，與質子一起——是否能比X射線提供更好的化石影像，結果驚人地發現，白堊紀時期的一隻鱷魚在死前吃掉了一種以前不為人知的幼年鳥腳亞目恐龍。
如果沒有亞原子粒子，這項考古學上的驚喜以及許多其他壯舉都將變得困難或不可能實現。長期以來，這些微小的物質碎片一直令尋求理解自然基本規律的物理學家們感興趣，但事實證明，它們也具有更實際的用途。研究人員越來越多地將質子、中子、繆子和中微子作為工具，用於精確瞄準棘手的腫瘤、探測化石和火山以及揭示地球的隱藏結構，應用範圍不斷擴大。
殺死癌細胞的導彈
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質子非常豐富。與中子和電子一起，它們是我們和周圍一切事物的原子組成部分。當從原子中提取出來並在粒子加速器中加速時，它們會變成精確的抗癌工具，比更常見的X射線和伽馬射線治療更安全有效，紐約市紀念斯隆-凱特琳癌症中心的南希·李說。
“質子總是更好，”李說。以合理的成本為人們提供治療的後勤挑戰是患者仍然轉向其他選擇的主要原因。“目前，[質子束療法的]等待名單都超過一個月，”她說。
質子療法治療癌症始於20世紀50年代。但在21世紀初，受益於質子療法的人數還不到1萬人。在過去的二十年中，這個數字猛增到全球約20萬人。治療機構的數量也從本世紀初的十幾個增加到今天的100多個。
醫生可以調整質子束，精確地摧毀特定目標，通常是癌性腫瘤，而不會損害附近的器官——這與X射線和伽馬射線不同，後者歷史上一直是癌症治療的首選射線束。這兩種光子或光粒子會對腫瘤前後方的健康組織造成損害，而腫瘤才是預期的目標。另一方面，質子束對腫瘤前方的組織造成的損害相對較小，對腫瘤後方的組織則沒有損害，這歸功於質子在穿過包括人體在內的物質時能量損失的方式。
當加速的質子進入您的身體時，它會因與您細胞中的原子碰撞而損失一些能量。但它不會像光子那樣沿著其路徑分佈能量。相反，質子會在行進一段距離後以一次快速爆發的形式釋放能量，該距離取決於質子的初始能量。透過調整從加速器射出的質子的能量，醫生可以選擇穿透深度，將質子直接輸送到目標。
這有點像向腫瘤發射殺死癌細胞的導彈：導彈穿過身體的路徑會造成一些損害，但最終的爆發更具破壞性。
質子的重量和電荷使其能夠精確穿透。理論上，更重的粒子會更加精確。研究人員正在研究依賴帶電碳原子的放射療法，碳原子包含六個質子和六個中子，使其比單個質子重得多。但李懷疑質子已經足夠好，並且將在可預見的未來作為更成熟的選擇而佔據主導地位。她認為，得益於更簡短、更強烈的質子束治療（稱為FLASH療法，正在研發中），質子療法很快就會變得更加有效。
中子掃描器
白堊紀時期那隻以恐龍為食的鱷魚例證了基本粒子的其他日益增長的用途。“我最初被震驚了，不敢相信，”澳大利亞新英格蘭大學的古生物學家馬特·懷特說，他是《岡瓦納研究》雜誌上描述這項發現的論文的合著者。“化石化的胃內容物極其罕見，尤其是[對於]鱷魚，它們擁有動物王國中最強大的胃酸。”如果沒有中子斷層掃描（這種mapping的名稱），那麼除非將化石拆開，否則永遠無法揭示那隻不幸的恐龍。
中子與質子的質量相似，但缺乏電荷。這使得它們更容易穿過物質。中子在癌症治療方面有使用歷史，但自20世紀90年代以來，其地位已讓位於質子束。如今，它們在成像方面的潛力正在上升。
中子可以穿過鉛和其他阻礙X射線的緻密材料，提供發動機、燃料電池、郵件包裹甚至核彈頭的內部檢視，而無需將它們切開。主要的成像中子源包括核反應堆和粒子加速器，後者將高能質子瞄準目標，以從鎢或汞等重金屬原子中敲出中子。
這些粒子已被廣泛使用數十年，但新的成像技術正在將該領域擴充套件到岩石和沉積物的地球科學研究、藝術品和古物的無損分析，甚至活植物。NASA太空望遠鏡改造的鏡子即將擴大小尺度中子成像能力。“我們很快有望實現首個實用的中子顯微鏡，”國家標準與技術研究所的物理學家丹尼爾·赫西說。
製造中子透鏡很困難，但鏡子可以聚焦粒子，前提是它們由能很好地反射中子的材料製成。“我們與[麻省理工學院]和NASA馬歇爾太空飛行中心合作啟動了一個專案，以改造用於X射線望遠鏡的鎳箔鏡，”赫西說。鎳恰好是中子的良好反射體，他預測這將使團隊能夠將強中子束聚焦到百萬分之一米的尺度。結果將是快速、高解析度的中子影像，其結構僅為紅細胞大小的一小部分，並且是觀察微觀世界的強大新視窗。
自1970年以來，德國離子束技術中心一直使用質子療法治療眼部腫瘤，特別是脈絡膜黑色素瘤。圖片來源：Geilert/Agencja Fotograficzna Caro/Alamy Stock Photo
實用的粒子照明
地球上到處都是來自大氣層高處的粒子。繆子，電子的較重表親，以每分鐘數千個的速度穿過我們的身體。幽靈般的中微子甚至更多——每秒鐘有100萬億個中微子滑過一個普通體型的人。儘管我們通常沒有意識到粒子雨，但在過去的幾十年裡，科學家們已經開始利用它們在考古學、地質學甚至國家安全領域的各種成像應用。
到達地球表面的繆子和許多中微子都始於撞擊高層大氣層的宇宙射線。射線主要是來自太陽或起源於深空的質子。無論它們的來源如何，當它們撞擊空氣中的原子時，都會產生粒子爆發。大多數粒子，包括電子、光子和短壽命的π介子，要麼分解，要麼被大氣氣體散射和吸收。這使得繆子和中微子繼續下降到地面。與其他宇宙射線碎片相比，它們固有的生存能力使繆子和中微子成為探測物體內部結構的有趣工具。
比利時魯汶天主教大學的粒子物理學家安德烈亞·賈曼科說：“繆子非常適合從米到[a]幾公里的尺寸範圍。” 它們可以方便地探測小到雨水桶，大到摩天大樓內部的東西。這些技術被稱為繆子斷層掃描，用於三維成像，繆子射線照相術用於二維成像，但如今，術語繆子成像更廣泛地用於這兩種技術。
宇宙射線粒子的首個實際應用可以追溯到20世紀50年代，當時澳大利亞工程師沿著一條隧道滾動繆子探測器，這條隧道最終將引導水流到與新南威爾士州古特加壩相關聯的發電站。穿過大氣層繆子的數量波動，提供了隧道頂部材料厚度的測量值。
加州大學伯克利分校的物理學家路易斯·阿爾瓦雷斯提高了繆子成像的門檻，他在1968年領導一個團隊在埃及吉薩金字塔之一中尋找隱藏的密室。透過測量穿過石頭的 атмосферные 繆子，他們發現沒有未知的密室。儘管從考古學的角度來看令人失望，但這表明來自宇宙射線的繆子可以揭示金字塔的內部結構，而無需擾動任何一塊石頭。
儘管取得了這些成功，但基於宇宙射線後裔的掃描在很大程度上陷入停滯，直到2003年，繆子成像論文和實驗的數量才開始激增。
康斯坦丁·博羅茲金說：“我們弄清楚瞭如何使用宇宙射線繆子的散射。”他曾是洛斯阿拉莫斯國家實驗室小組的成員，該小組在《自然》雜誌上發表了一篇論文，幫助重啟了繆子成像技術。透過觀察繆子在穿過材料時的散射方式，而不是僅僅檢查有多少被吸收，博羅茲金和他的同事提高了他們可以建立的影像的解析度。該技術在2011年災難後監測福島核電站內部派上了用場。此後，它催生了用於搜尋卡車中的毒品、武器和其他違禁品的新系統，甚至隱藏在集裝箱中和會阻擋X射線掃描器的材料中的物品。
繆子成像的最新應用包括跟蹤火山下岩漿的流動、監測潮汐以及分析建築物內部結構以瞭解橋樑、建築物和風力渦輪機如何老化。幾乎所有太大或太密集而無法進行X射線檢查，又太小而無法使用地震波研究的東西，都適用於繆子成像。
用中微子觀察地球內部
就整個地球而言，宇宙射線產生的中微子即將提供其他地質方法無法提供的資訊。中微子的探測深度比繆子深得多，因為它們缺乏電荷；它們不會被原子中帶電的質子和電子偏離路徑。它們幾乎不受任何小於行星的物體的影響地流動，但它們有可能提供其他技術無法比擬的地球內部檢視。
弗吉尼亞理工大學的麗貝卡·佩斯特斯說：“地球周圍到處都是來自各個方向的中微子，因此我們可以獲得大量資料。”她分析了未來中微子探測器掃描地球的潛力。
目前，地震學可以更好地描繪地球內部的影像。但佩斯特斯懷疑，由於一個不尋常的特徵，中微子最終可能會提供地球內部的詳細檢視：中微子在傳播過程中會發生轉變，在被稱為“味”的三種類型之間振盪。它們的振盪速率取決於它們穿過的物質的化學成分。巴黎城市大學教授維羅尼克·範·埃萊維克說：“振盪斷層掃描[可以]提供一種更直接的方式來測量地球的成分。”
中微子也直接從核反應堆和放射性廢物中流出，這導致了一些利用中微子來驗證國際核協議的提議。專門為核潛艇設計的探測器將提供診斷和監測，而無需進入艇內安全區域。然而，這個想法仍處於初步階段。
這些用途僅代表了粒子可以派上用場的越來越多的方式中的一部分。白堊紀時期鱷魚腹中那隻不幸的恐龍是粒子工具箱擴充套件帶來的一個意外發現。這不會是最後一個。