核物理学家在研究中加入漫步杏树林，这可能看起来有点奇怪。当然，除非这位物理学家在加州大学戴维斯分校的克罗克核实验室工作，在那里“不寻常”是常态。为了物理学——以及为了支付客户——克罗克公司的科学家们已经做了一切，从在尘土飞扬的河床上跋涉到仔细研究古老的文献。他们研究过著名的《古腾堡圣经》中的墨水，追踪过大峡谷空气污染的来源，验证过约翰·塞巴斯蒂安·巴赫的笔迹，并分析过科威特油井燃烧的烟雾。在过去的二十年里，只要项目需要扎实、可靠的日常科学研究，克罗克团队就很乐意以每小时仅384美元的成本启动他们的小型粒子加速器（可享受批量折扣）。
“我们是元素分析领域的麦当劳汉堡，”戴维斯核物理学家托马斯·卡希尔开玩笑说。
卡希尔及其同事使克罗克实验室在国际上享有盛誉，认为这是一个用非标准方式使用标准回旋加速器的地方。“我们吸引的是那些对重复性、传统工作感到厌倦的人，”克罗克主任罗伯特·弗洛奇尼说，他是一位正在分析加州杏农扬起的尘埃云的物理学家；他希望以此来解决一场激烈的争论，即农业尘埃对该州耕种密集的中央谷地常常浑浊的空气造成的污染程度。
虽然它的选择使克罗克在强大的传统粒子物理学家群体中显得有些低调（“加州大学戴维斯分校有回旋加速器吗？”一位来自斯坦福大学强大直线加速器项目的物理学家惊讶地问道），但在那个核心圈子之外，该实验室却闪耀着光芒。卡希尔是克罗克大气研究项目的负责人，去年访问了澳大利亚到智利等13个国家，帮助在粒子加速器中心建立环境分析项目。除了让自己平易近人，克罗克科学家们还希望在地球上留下加速器的遗产，所有这些都连接成一个复杂的监测站网络。这个想法已经开始流行：国家公园管理局依靠克罗克来监测其公园内的污染，世界气象组织也采纳了克罗克公司的分析技术作为其污染监测网络的一部分。56岁的卡希尔梦想着招募整整一代物理学家来监控地球：“我想要什么？”他慢慢地问，然后咧嘴一笑。“我想成为环境物理学的‘捕鼠人’。”
这种雄心壮志一直 characterizes 克罗克。该实验室于1965年来到戴维斯，此前三年，大学物理学家约翰·荣格曼发现劳伦斯伯克利实验室有一个220吨重的磁铁被浪费了。伯克利团队忙于建造新的加速器，将磁铁视为历史遗迹，一块陈旧的、直径五英尺（略微）放射性的金属。这块磁铁曾是物理学家欧内斯特·O·劳伦斯于1939年建造的开创性回旋加速器的核心，它也是用于帮助开发原子弹的机器之一。
荣格曼很了解这块磁铁。在20世纪50年代初，他曾与劳伦斯本人共事，并完成了他关于旧回旋加速器硕士论文。他认为那台机器值得极大的尊重；在其鼎盛时期，它曾被用于发现七种重原子元素，包括钚。当他听说它将被一台新机器取代时，他匆忙地提出了磁铁的竞标。在诺贝尔奖得主、钚的共同发现者格伦·西博格的帮助下，他从原子能委员会（现为核监管委员会）获得了250万美元，用于制造一台新的回旋加速器。这台机器在27个月内就投入运行了。
回旋加速器是所有圆形加速器的“祖父”，是通往计划中的超导超级对撞机的第一步，该对撞机拥有一个54英里长的主加速器环，位于德克萨斯州连绵起伏的草原上。考虑到劳伦斯于1931年发明的第一个回旋加速器直径不到一英尺，只能将少量质子加速到约8万电子伏特，这几乎难以置信。建成后的SSC预计将产生两个能量分别为20万亿电子伏特的光束。与此相比，戴维斯回旋加速器的功率在450万至6750万电子伏特之间，简直是个“小角色”。
但本质上，两者是相同的：任何加速器的作用都是为带电粒子提供类似火箭的推力，并使其以极高的速度发射出去，以造成亚原子级的破坏。任何此类粒子——带负电的电子，带正电的质子——如果获得足够的速度，都可以变成导弹。当加速器将离子推向接近光速并让它们碰撞时，粒子实际上可以互相粉碎。这种原子粉碎确实是大型加速器的目标——将一切分解成原始能量，并发现亚原子世界隐藏的粒子。通过巨大的SSC，物理学家希望至少部分地重现“大爆炸”的沸腾、充满活力的余波。
荣格曼和戴维斯团队开始组装克罗克回旋加速器时，并没有考虑“大爆炸”。他当时在考虑将他那块60英寸的磁铁安装到一台可靠的设备中。最简单的回旋加速器由两个半圆形电极组成——强大的电流导体，称为“dees”（因为它们每个都呈D形）。电极被放入一个真空室中，该真空室安装在电磁铁的两极之间，电磁铁的功率越强越好。（荣格曼通过在其周围运行一个8英寸的钢环来增强旧伯克利磁铁的功率，使其具有76英寸磁铁的功率。）当回旋加速器通电时，电压会在每个dees之间产生一个电场。然后，将一股低能离子——在此情况下是质子——引入真空室。当离子在腔内缓慢旋转时，电场会给予它们一次快速的推动，有力地将它们向前推进，方向由它们自身的电荷决定。
圆形加速器（如戴维斯回旋加速器）利用其磁场的力——该磁场与粒子的运动方向成直角——将运动粒子的路径弯曲到电极之间的轨道上。在每个轨道上，粒子会两次穿过带电间隙，每次都会获得一次加速。每次加速，其轨道的半径都会增加一点。最终，当离子真的飞驰起来时，它们会被甩过一个真空管。它们会以一个高度聚焦的光束出现，并瞄准一个目标。克罗克在全功率下可以将粒子加速到光速的大约三分之一。这种高度带电的光束会对目标材料产生令人眩晕的结果——它们可以改变元素的形态，使其具有放射性，或者——对卡希尔的目的来说很重要——揭示目标材料的结构和组成。
在20世纪70年代初，就在卡希尔开始对空气污染分析感兴趣时，他得知瑞典研究人员曾使用回旋加速器诱导某些靶材料（包括空气污染样本）发射X射线。这项技术被称为质子诱导X射线发射（PIXE）。卡希尔立即抓住了这个想法；他意识到这将使他能够从一小撮黑色的污染物中读取出元素，就像阅读一页文字一样。
要进行PIXE分析，戴维斯回旋加速器以低功率运行，质子束保持在其低端450万电子伏特附近。操作员将光束瞄准一个薄如纸的特氟龙空气过滤器，该过滤器装在照相幻灯片的框架中，用于收集污染样本。光束在充满雾霾的颗粒和过滤器中低语，而不会造成任何损坏；它仅够稍微扰动靶材中各种元素的电子。大电荷光束会将电子从其位置炸飞，像鸟弹一样四处飞溅。但这种轻微的推力只是暂时地将电子挤出它们习惯的原子轨道。当电子重新回到原来的位置时，它们会以X射线的形式释放能量。
这里重要的是，将电子从轨道推出所需的能量——以及当该电子返回时释放的能量——对于每种元素都不同。因此，当靶材被质子束击中时，发射的X射线可以用来识别它们的来源元素。这种识别是通过硅二极管完成的，该二极管将每个离散的X射线能量包或光子转换为电脉冲。（诀窍是让一次只有一个光子击中二极管，物理学家通过降低光束中的质子数量来做到这一点，直到一次有一个以上质子击中靶材中电子的概率微乎其微。）由此产生的信号被输入计算机并进行分析；脉冲的特定电荷就像X射线来源的签名。
1977年，当环境保护局要求卡希尔对锡安、布莱斯峡谷和峡谷地国家公园进行空气污染监测时，克罗克在这项革命性技术方面的专业知识首次得到认可。卡希尔在每个公园安装了空气过滤设备，收集了脏过滤器，然后带回回旋加速器进行分析。如今，该实验室每年通过其PIXE工作赚取超过200万美元，大部分来自环境研究人员。大气科学家表示，分析的极端灵敏度，能够分析几粒尘埃、一丁点污垢，甚至使最微弱的污染痕迹也能够被识别。
然而，实验室观察到的并非所有事物都像光芒一样微妙。例如，1991年，克罗克被要求对海湾战争中撤退的伊拉克士兵点燃的科威特油井冒出的烟雾进行元素指纹分析。大气科学家凭经验知道，石油火灾通常会释放出令人困惑的化学物质混合物，这些混合物因地质条件而异。但是，卡希尔说，这些火灾有一些独特之处。首先，灾难的规模是前所未有的。其次，这些油井承受着巨大的地质压力，所以石油像注射器一样喷入空中，形成烟柱燃烧。第三，一些烟柱是白色的而不是黑色的，关于它们是什么有很多猜测。
卡希尔指出，当时对火灾可能造成的环境影响也有很多猜测——他说，这种猜测近乎歇斯底里，科学家们甚至使用了“生态浩劫”和“世界末日”这样的词语，而他们也许应该知道得更清楚。尽管如此，情况仍然具有潜在的威胁性，需要事实来了解到底是什么物质被排放到空气中，以及它是否可能成为区域性或全球性问题。
当美国国家海洋和大气管理局（NOAA）发出邀请时，克罗克团队 eager 地前往。通过获取科威特原油样本，在实验室进行测试，然后将其与大气污染进行比较，他们能够确定燃烧油井产生的有毒金属：该地区降下了多达1000吨的细钒颗粒和500吨镍。他们还发现，白色烟柱是与石油一起喷出的古老海水。“原来海水中的氯化钠被喷成喷雾燃烧，然后形成非常细小的盐粒，”卡希尔说。
此外，他还发现，科威特当时的自然条件阻止了局势变得真正灾难性。“科威特市拥有世界上最肮脏的空气之一——空气中充满了从沙漠地面吹来的碱性尘埃细粒。“我们发现烟柱的大部分质量是沙漠土壤，”卡希尔说。而这些细小的沙漠尘埃中和了燃烧石油释放的酸。“基本上，天空形成了一个清洁器。”卡希尔说，结果是空气中的硫酸盐含量几乎与洛杉矶夏季典型情况下的含量完全相同——令人担忧，但绝非世界末日。
“考虑到关于科威特是灾难的说法，这实际上并不是有毒水平，”卡希尔说。“我们的分析还表明，当酸与灰尘结合时，它们变得更重，因此它们不像可能那样远行，也不像可能那样高高飞入大气层；它们倾向于在当地沉降，使其成为一个局部问题，而不是一个区域性问题，更不是一个全球性问题。所以我们的工作为当时基本上是推测性的情况带来了事实。”
几年前，当克罗克团队被要求检查大峡谷时，情况也差不多——充满猜测和模糊。而当时政治上的复杂程度不亚于化学上的复杂程度。卡希尔是公园管理局对峡谷污染研究的一部分。公园管理者对模糊了峡谷景色的污浊空气越来越感到沮丧。他们怀疑罪魁祸首是位于峡谷东北部仅18英里处的、于20世纪70年代末投入使用的大型燃煤纳瓦霍发电站。该工厂在没有安装脱硫装置的情况下运行，据估计每天排放约300吨二氧化硫，是整个洛杉矶盆地两倍以上的硫污染负荷。尽管如此，包括美国垦务局在内的该工厂的运营商却将公园能见度差归咎于从西部城市吹来的污染或公园以南的铜冶炼厂。
当然，问题在于没有人能真正看到来自任何一个来源的污染。“污染物主要由二氧化硫组成，基本上是看不见的，”卡希尔说。SO2在可见之前必须做到两件事：必须从气体转化为颗粒，并且必须吸收水分。这使得它能够散射光。然而，即使使用了非视觉技术，污染也很难被检测到。公园管理局和电力公司一直在仔细检查污染漂移，像哨兵一样将他们的空气采样设备架设在峡谷7000英尺高的边缘。但公园护林员注意到，即使在边缘视野清晰的日子里，峡谷底部也依然浑浊。他们建议峡谷可能是一个收集和浓缩污浊空气的“汇集点”。
卡希尔与环境咨询公司Air Resource Specialists的同事约翰·莫莱纳一起，开始在大峡谷深处进行监测。在1990-1991年冬季，这项工作得到了回报。首先，卡希尔和莫莱纳确定，纳瓦霍发电站的烟流漂移到附近的鲍威尔湖，在那里它吸收了水分并冷却；当冷空气到达峡谷时，它会涌过边缘。他们甚至能够在录像带上展示了这一事件序列的一部分。在一个异常寒冷的冬夜，莫莱纳架设了一个摄像机，记录了一股污浊的空气，像水流一样，倾泻过峡谷边缘，几乎溅到底部。
他们怎么知道空气来自发电站？“这是一个间接过程，”卡希尔说。他们无法在视频中追踪到来自发电站的烟流，但通过PIXE分析，他们可以追踪到微量的指示性元素。“烟流包括燃烧煤炭产生的痕量金属，如硒，”卡希尔解释道。“烟流会与其他空气中的污染物混合，但硒作为痕量元素一起存在。在我们看到峡谷里有很多雾霾的时候，我们也看到了高水平的硒。这需要回旋加速器才能检测到——这些‘高’水平对其他人来说仍然非常低。”
1991年3月，大峡谷污染听证会已排定。但公园管理局被禁止作证。这一决定来自当时的内政部长曼努埃尔·卢扬。卢扬监管着两个利益相互冲突的机构——希望净化工厂的公园管理局，以及在维持现状方面有经济利益的垦务局。他不希望他们公开争斗，因此命令他们只提交书面陈述。
卡希尔感到非常沮丧。在他看来，拥有好数据的全部意义在于传播信息。他有回旋加速器的数据，莫莱纳有他的录像带。两人都决定自行参加听证会。
两人飞往凤凰城，听证会将在那里举行，并会见了计划发言的环境组织。大峡谷信托基金会（一个区域性保护组织）对此印象深刻，以至于放弃了一个小时的发言时间给科学家们。卡希尔以私人身份发表了他的演讲。在第二次听证会后，电力公司和环保组织的代表决定协商一个清理计划：“没有人想成为那个毁了大峡谷的人，”卡希尔说。最终协议要求到1999年，该工厂将配备价值4.3亿美元的脱硫装置，这将使污染负荷减少约94%。
克罗克的分析技术的精细性已将该实验室推向了核物理学其他令人惊讶的领域，最值得注意的是旧文件的分析。这项事业大约在15年前，在卡希尔和戴维斯历史学家理查德·斯瓦布的一次谈话中真正开始。斯瓦布是18世纪狄德罗《百科全书》的专家，这是世界上第一部伟大的百科全书，如此受欢迎以至于紧随其后出现了大量伪造品。斯瓦布学会了通过文本中的各种怪癖来识别假冒品，他承认这并不讨好那些拥有伪造版本的大学。“我在一次晚宴上愉快地向卡希尔抱怨这件事。然后，就在甜点的时候，我们俩都有了这个绝妙的主意，”斯瓦布说。“我们意识到，纸张在回旋加速器射束下看起来就像空气过滤器，而上面的墨水则看起来像污染物颗粒。”
斯瓦布立即捐赠了一本他图书馆里一本不太值钱的18世纪书籍，以便对这个想法进行测试。卡希尔和同事布鲁斯·库斯科开始从几页书的边缘切下小矩形，以便放入回旋加速器的束流分析腔。第一次运行后，卡希尔困惑地打电话给斯瓦布，报告说纸张（被射束也击中了）似乎每八页就变化一次。斯瓦布猛然感到一阵颤栗。在18世纪，书籍是通过将纸张折叠成“小册子”（quires）来制作的（一本quires是一张大纸折叠成小页面）。回旋加速器捕捉到了一个小册子到另一个小册子之间微小的元素变化。
但科学家们意识到，切开珍贵的书籍不太可能吸引那些拥有稀有古老文件的人。和所有传统回旋加速器一样，克罗克的质子束被封闭在真空管中。在开放空气中，质子会与空气分子碰撞并开始损失能量，导致射束散开。离开管道大约四英寸后，射束就会耗尽。克罗克物理学家开始思考这四英寸是否可以被利用。到1982年有机会分析《古腾堡圣经》时，克罗克团队已经安装了一个质子微探针。微探针是一种质子束，一端是开放的，在开口处约一英寸处装有一个X射线探测器。书籍、信件或地图的未切割页面可以轻松地放置在束线和探测器之间，并进行详细的分析：质子束聚焦到印刷页面上单个句点的十分之一大小。
分析《古腾堡圣经》的数百页是一个重大的项目，耗费了42小时的回旋加速器时间。由于圣经借出者——加州圣约翰神学院的安全担忧，分析进一步减慢了速度，该神学院非常担心有人会偷窃这件宝贵的物品。他们坚持只有直接参与的科学家和技术人员才知道这本书在戴维斯。卡希尔是一位热情的间谍小说家约翰·勒卡雷的粉丝，他对保密和安全都感到兴奋。（研究人员迅速给他们的实验起了代号“捕鱼行动”，并给圣经起了代号“鲸鱼”。）但科学家们对他们的结果更加兴奋。关于古腾堡印刷的一个谜团是他使用的墨水——大约540年后，它仍然像新印的页面一样黑亮。X射线分析表明，古腾堡混合了一种几乎是金属浆料的墨水，几乎全是铜和铅。“我们对古腾堡的墨水比他本人了解得更多，”斯瓦布说。“如果我们有几百万美元，我们也许可以伪造一本古腾堡。”
从那时起，科学家们就研究了各种文物。他们可能最自豪的是他们对约翰·塞巴斯蒂安·巴赫私人圣经的研究。作曲家的签名清晰地潦草地写在扉页上。但是学者们对书中所有的下划线和感叹号感到困惑——那是巴赫写的还是别人的？如果那是巴赫写的，它们可能会提供对影响他音乐的宗教影响的新见解。分析后，克罗克科学家们确信是巴赫本人标记了这本书。墨水与签名中的墨水完全相同。
然而，尽管他对历史着迷，卡希尔的首要热爱仍然是环境研究，而克罗克的深远影响在此——并将继续在此——感受最强烈。作为例子，卡希尔引用了克罗克在20世纪80年代初关于莫诺湖水的一场官司中的作用——莫诺湖是塞拉内华达山脉东侧致密火山岩中的一个古老水体。自第二次世界大战以来，洛杉矶一直在疏导湖泊的支流，为不断增长的人口提供水源。但随着湖泊干涸，野生动物开始窒息，大片尘埃开始从现在裸露的湖床上吹起，莫诺湖成为一场激烈环境斗争的焦点。
洛杉矶试图将其描绘成帮助人类和帮助野生动物之间的拉锯战。当州空气资源委员会要求卡希尔分析尘埃云时，情况发生了变化。他发现它们充满了砷，一种已知的人类致癌物。砷是天然的，是火山基岩的一部分，随着湖床的干涸和吹散而被释放出来。凭借回旋加速器的灵敏度，卡希尔能够追踪到尘埃，即使在尘埃云分散开后，也追踪到一种近乎看不见的、危险的雾霾，向东飘向内华达州。1989年，当加州法院限制从莫诺湖支流引水时，他们引用了砷风险作为主要因素。
这是卡希尔团队没有放过的一个问题；他们现在正深入调查莫诺湖（位于莫诺湖以南约125英里处，也是一个因洛杉矶引水而干涸的水体）湖床吹来的尘埃。在本世纪初，欧文斯湖覆盖了欧文斯山谷110平方英里的面积，那里有如此多的水鸟，以至于10英里外的居民声称能听到鸭子从湖面上起飞时翅膀拍打的雷声。现在只剩下无法饮用的咸水池。在高风中，湖床的尘暴像最苦涩的北方暴风雪一样肆虐。NOAA估计，该湖贡献了美国大陆地区可呼吸尘埃颗粒的6%。“这是一个严重的问题，”卡希尔说，他的团队不出所料地在欧文斯湖尘埃中发现了砷。他们再次 painstaking 地追踪了其80英里的蔓延；这次，穿过欧文斯山谷的强风将尘埃推向南方，朝洛杉矶方向吹去。
克罗克科学家们现在正在研究太平洋西北地区发电厂的污染影响，以及加州中央谷地和佛罗里达大沼泽地附近农业燃烧的影响。卡希尔梦想着能够有一整代新的物理学家来解决这些问题：“我想让所有这些沮丧、厌倦，但又想做一些能产生影响的事情的年轻物理学家说：‘看看你能做什么。’”
