曾经仅在宇宙深处发现的粒子，现在被用来研究大脑
撰文 轻帆
来自宇宙的奇特粒子
1932年的夏天，27岁的安德森正在观测宇宙射线。在当时，威尔逊云室是科学家们观测粒子径迹的有力工具【注1】。安德森通过拍摄粒子穿过云室后的照片，观察了1300多条粒子的运动轨迹，发现其中有15条径迹不能用当时所发现的粒子所解释。这些轨迹的曲率说明它们和电子具有相同的质量，但是偏转的方向却和电子相反，说明它是带正电荷。在当时，对于带正电荷的粒子人们只知道质子的存在，很明显这么小质量的粒子不可能是质子。那么这些奇怪的轨迹究竟属于什么粒子呢？
安德森于1932年8月2日拍摄的第一张正电子轨迹照片
实际上，在安德森实验的四年之前，保罗·狄拉克便在理论上提出了正电子的存在，即存在一种粒子，除了电荷和电子相反之外，其他性质都与电子相同。同时他还在理论上预言了正电子会和电子产生光子，也预言了这一过程的反过程，即γ光子可以产生一对正负电子。
所以安德森所发现的粒子，就是狄拉克所预言的正电子。同年的9月9号，安德森在《科学》上发表了题目为“The apparent existence of easily deflectable positives”的文章，正式宣告了正电子的发现。这也是人类第一次发现了反物质。
安德森与他发现正电子的文章
值得一提的是，赵忠尧在安德森发现正电子的两年之前，研究了γ射线穿过铝和铅时候的吸收系数。他发现当γ射线穿过铝的时候，观察到的吸收系数和康普顿散射公式所推断的相同，但是当γ射线穿过铅的时候，吸收系数要大于理论所推断的值。因此，赵忠尧认为当γ射线通过铅板时，除了康普顿散射之外，还存在着“反常吸收”。进一步的，他还发现了“反常吸收”伴随着“特殊辐射”，并且得到了该辐射能量的大小约为0.5MeV，这一大小正好是电子的静质量【注2】。赵忠尧和安德森都是密立根的学生，同年取得博士学位，办公室也是相邻的。因此，安德森对赵忠尧的工作也是熟悉的。安德森曾在1981年的一篇回忆文章中说到：
“我在加州理工（1927-1930）的论文工作是对x射线产生的光电子的空间分布进行云室研究。在此期间，赵忠尧在我隔壁用静电计研究铅中γ射线的吸收和散射。他发现，γ射线的吸收和散射都超过了克莱因-仁科公式的预期：我对他的结果非常感兴趣，因此我曾决定建立一个在磁场中工作的云室，以详细研究放入云室中的铅板在吸收伽马射线后产生的二次电子。”
因此，赵忠尧的工作也为正电子的发现起到了不可低估的影响。
后来赵忠尧先生回国后，在一穷二白的情况下，主持建立了国内第一台静电质子加速器，同时培养了一大批核物理科学家，对我国的核物理的发展起到了巨大的推动作用。
1989年9月15日赵忠尧在北京正负电子对撞机、北京谱仪鉴定书上签字。摘自中国科学院高能物理研究所官方网站
制造正电子
在安德森观察宇宙射线的几乎同一时期，另一种研究高能物理的方式正在被构想出来，那就是加速器。1930年，劳伦斯构想出来了用两个D型磁场和中间的一个电场对带电粒子进行加速，这就是我们高中物理中经常见到的回旋加速器的原型：
回旋加速器原理图
在1930年到1934年之间，劳伦斯和同事们建造了回旋加速器，并且他们用加速器来制作高能离子轰击金属靶。所以理论上他们已经得到了相当多的人工放射性元素，并且有一些放射性元素可以释放出正电子。但是真正发现人工放射性这一现象的并不是劳伦斯的实验室。而是在1934年，伊雷娜·居里（居里夫人的女儿）和她的丈夫约里奥报告了当硼、镁或铝被镭或者钋中释放的α粒子轰击时，在轰击停止后的一段时间内，正电子继续从金属靶中发射出来。后来人们才知道劳伦斯他们错失这个重大发现的原因实在是令人啼笑皆非，那就是他们加速器的电源和探测器的电源是同一个，当加速器停止轰击后关闭电源，探测器也停止检测了。
利文斯顿与劳伦斯和他们实验室的医学加速器
现在我们知道，这种产生正电子的方式为正β衰变，即一个质子衰变后得到一个中子，一个中微子和一个正电子。
到现在，许多大型医院中都配备了自己的医用加速器来生产放射性药物。这些加速器的基本原理和劳伦斯当年构想的依旧是一样的。通过加速器加速氢或者氘轰击不同的靶，从而可以生产大量的碳11，氮13，氧15和氟18等半衰期较短的放射性粒子,这些粒子通过正β衰变的方式释放出正电子，并且被标记到不同的具有生物活性的化学物质上，作为探索生物过程的放射性示踪剂。
用正电子对大脑成像
时间到了二十世纪五十年代，科学家们已经知道了正电子和电子湮灭后，会释放两个方向相反的γ光子，同时，一些发射γ射线的示踪剂，如碘131，已经被用来做医学示踪剂。1951年，Wrenn等提出通过两个探测器来探索正电子和电子湮灭产生的方向相反的光子，就可以推测正电子所在的位置，即符合探测。这种方法比单光子的探测空间分辨率要好很多。
左边是用一个探测器，右边是用符合探测，大大提高了分辨率
1953年，Brownell和Aronow发明了第一台临床用的正电子成像设备。并研究了大脑中的肿瘤位置。此时，正电子的成像还是二维平面的。到六十年代初，多通道探测的概念形成，正电子成像也可以进行三维定位，但是此时的重建算法依旧非常的简陋。
第一台正电子成像设备和其定位的肿瘤
随着X射线计算机断层扫描（CT）的发明，相应的思想和技术也开始向正电子成像扩展。通过圆环形探测器，以及相应的图像重建算法，正电子发射断层扫描（PET）也具备了较高精度的三维定位的能力。
早期PET扫描仪
PET成像的基本过程是将少量具有生物活性的放射性药物注入体内，这些放射性药物由放射性核素标记，衰变时可以发射正电子。而这些正电子可以与体内的电子发生湮灭，从而产生一对飞行方向相反，能量为511KeV的γ光子。通过PET成像设备中的环形探测器以及相应的电子学设备可以探测到这对光子，接受到这对光子的两个探测器之间的连线即为符合线（Line of response, LOR），探测到这对光子即为记录下一个符合事例。当积累到足够多的符合事例后，即可通过图像重建算法得到放射性药物在体内的分布情况，进而测量得到放射性药物在体内的生化活动情况。
PET成像的基本原理，摘自黄琪（中科院高能所）博士论文
到了上世纪的90年代，PET和CT开始进行结合，诞生了PET/CT，以用来更准确的定位正电子的位置，同时也可以用CT辅助进行衰减校正从而提高PET成像的图像质量，目前依旧是医院核医学检查中的主流PET设备。进入新世纪后，工程师克服了强磁场对探测器的影响，制造了可以同时进行PET和核磁成像的PET/MR一体机，相比与PET/CT，PET/MR具有更高的位置分辨率和更小的辐射剂量。
我们国家在PET系统的研发和制造上起步相对较晚，1983年，高能所最早在国内开始正电子发射断层成像系统的研发工作，1986年，高能所研制成功国内首台PET原型系统并得到猕猴脑部的重建图像。
高能所研制的国内首台临床PET（上图左）、高分辨率动物PET（上图右）、乳腺专用PET（下图左）、灵长类动物PET（下图右）
在商用系统方面，国内的联影、赛诺联合、明峰等公司也分别研制出商用的临床PET系统。联影在2017年研制出世界上第一台2米长的高灵敏度全身PET系统，可以在30秒内完成全身动态PET成像。赛诺联合在2020年研制出200皮秒量级时间分辨的PET系统。
联影公司开发的2m长的全身PET‘uEXPLORER’（摘自联影官方网站）
随着PET扫描仪的不断改进和各种放射性药物的不断发明。PET的应用范围也不断变得广阔。
在认知科学上，PET可以观察大脑在执行任务的时候哪些区域的活动发生了变化。
利用PET测量被试在视觉任务时大脑的脑血流量
在医疗领域中，PET可以帮助我们对肿瘤进行定位，确定病人神经退行性疾病的种类，研究毒品成瘾和滥用的机制。在药物研发上，可以帮助我们动态的观察药物在活体内的药物代谢动力学等等。
正常被试和轻度认知障碍以及阿尔兹海默症患者大脑的糖代谢情况
回顾这段历史，当年天才的科学家们在研究正电子的基础物理理论时，或许也无法预料到今天正电子认知科学，临床医学诊断和药物研发上的无数应用。然而，现实往往比小说更加出人意料，而我们也期待着未来的故事能更加的精彩。
【注1】 威尔逊云室是一种充满过饱和气体的封闭装置，当带电粒子通过云室时，内部的蒸汽会在粒子运动的位置上凝结，形成一串小液滴，从而观测到粒子的“足迹”。将云室和磁场结合，就可以观测带电粒子在磁场中受到洛伦兹力而产生的运动轨迹。
【注2】 “反常吸收”和“特殊辐射”的结果分别发表在了《美国国家科学院院刊》和《物理评论》上。现在我们知道，所谓的“反常吸收”是由于γ射线穿过重核后产生的正负电子对效应，即：
而”特殊辐射“则是正电子与电子湮灭后产生的γ光子，即：
参考资料
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封面图片：Elena Khavina/MIPT Press Office
来源：中科院高能所