【歐美研究者展開激烈競爭全力尋找“上帝粒子”】

江南布衣

【歐美研究者展開激烈競爭全力尋找“上帝粒子”】
 

圖：空中鳥瞰美國費米國家實驗室

據《連線》9月9日報導，如今，美國費米國家實驗室(Fermilab)的Tevatron加速器以及歐洲粒子物理研究中心(CERN)的大型強子對撞機（Large Hadron Collider）都在全力尋找希格斯玻色子(Higgsboson)。

希格斯玻色子被認為是物質的質量之源，1988年諾貝爾物理學獎獲得者萊德曼將其稱為“上帝粒子”。

這種粒子是物理學家們從理論上假定存在的一種基本粒子，目前已成為整個粒子物理學界研究的焦點。發現希格斯玻色子或許有助於解釋物質為什麼擁有質量。

理論物理學家已經預言這種粒子一定存在，但是目前並沒得到證實。

這個粒子是現代物理學的核心模型，它的存在與否，關係著現有的宇宙理論能否站得住腳，因而兩家研究機構之間展開了激烈競爭，試圖在證明該粒子的存在上取得先機。

歐洲粒子物理研究所甚至在20世紀80年代剛剛構思建立大型強子對撞機時，就把證實“上帝粒子”的存在作為它的奮鬥目標，而美國費米國家實驗室也不甘落後，試圖後來居上。

德州大學奧斯汀分校物理學家羅伊·舒維特(RoySchwitters）就表示：“同歐洲粒子物理研究中心展開競爭是值得的，大型強子對撞機雖然有機會找到希格斯玻色子，但把握也不是很大。”

事實上，在粒子物理學領域，美國同歐洲一直有互相競爭的歷史，這不僅關係到美國和歐洲的科學權威性，也關係到他們的國家榮譽。

如果美國科學家成功發現希格斯玻色子，他們就會為其在近代科學領域所取得的主要成就上畫上一個完美的句號。

如果他們未能在歐洲科學家之前發現希格斯玻色子，就標誌著美國科學家在把握機會方面又一次受到打擊。

70年來，美國和歐洲在粒子物理領域一直交替領先。

美國科學家擁有的Tevatron加速器儘管年代久遠，但它能夠產生1兆電子伏特（1TeV）能量的質子束，仍然是目前全球輸出能量最高的加速器，並且該加速器近期表現良好。

不過，從目前情況來看，科學家們還未發現希格斯玻色子存在的跡象，這也許會為Tevatron加速器的運轉帶來更大壓力。

歐洲大型強子對撞機早在2008年開始運轉的時候，物理學家就估計，它會在2009年年底發現是否存在希格斯玻色子這一粒子。

如果大型強子對撞機有所發現，這將會是其首次有重大發現。

但在2008年7月及9月份，大型強子對撞機接連出現故障，使得科學家不得不把對撞機運轉時間調整到11月份。

此外，重新調整後，該對撞機運轉速度也比之前預測的要慢，因此，要想達到事先預測的7兆電子伏特（7 TeV）的高能量，所需時間會更長。

歐洲大型強子對撞機的表現不濟，使得美國Tevatron加速器有更多時間來發現希格斯玻色子。

據估計，歐洲大型強子對撞機的故障可能使這項加速器試驗被迫中止12個月的時間。

而Tevatron加速器運轉情況相比之下卻表現更好，每秒粒子碰撞次數更多，加速情況也非常良好。

雖然Tevatron加速器已是一部老舊加速器，但如果美國科學家不放棄，他們也有機會成功。

儘管Tevatron加速器年代久遠，但它仍是對撞機領域的王者。

目前，Tevatron加速器被置放於芝加哥郊區費米國家實驗室一個周長4英里的地下隧道內。

該實驗室D-Zero探測器小組的物理學家德米特里·德尼索夫（DmitriDenisov）對於Tevatron加速器最終能夠發現希格斯玻色子充滿信心。

他表示：“目前，實驗室裡的工作人員都在想法確定希格斯玻色子的質量範圍，儘管這項工程非常艱難，我們相信最終我們會成功。”

目前，費米國家實驗室的另一個CDF探測器小組，也在同D-Zero探測器小組展開競爭。

雙方都試圖發現新的粒子，並且確定這些粒子的特徵。

同時，這兩組科學家也互相共享成功經驗，相互確認對方的發現是否正確。

這種工作方式使得科學家們有更高機率來發現希格斯玻色子。

基於目前Tevatron加速器以及其它加速器所做的工作，科學家推斷希格斯玻色子的質量在114至185 GeV之間。

今年3月份，費米國家實驗室通過實驗進一步壓縮了希格斯玻色子的質量區間，稱質量不會在160至170 GeV這段區間內。

德尼索夫表示：“如果希格斯玻色子的質量不是我們事先設想的那樣，或者它的質量更大，哪怕有理論來預測希格斯玻色子的質量會比我們預測的更大，那麼要想發現它可能要另闢蹊徑了。

但是，如果它的質量真的只是在200GeV，或者是180、190GeV左右，我們就能夠將其排除，或者成功發現希格斯玻色子。目前，我們就正在進行這項工作。”

即便最終是歐洲粒子物理研究中心先拔頭籌，發現了希格斯玻色子，對於費米國家實驗室的科學家們來說，他們也受益匪淺。

德尼索夫認為：“即使未能搶得先機，至少科學家們找到了研究方法，為以後科學發現打下了基礎。”

 

圖：費米國家實驗室的威爾遜行政大樓

 

圖：費米國家實驗室的科學家德米特里·德尼索夫

 

圖：勞倫斯最初使用的4英寸迴旋加速器

 

圖：圓圈部分，是ISABELLE的隧道

 

圖：超導超級對撞機部分外觀

對於費米國家實驗室的科學家來說，儘管他們認為Tevatron加速器會取得成功，不過如果失敗了也在情理之中。

但是，如果Tevatron加速器在最終離發現希格斯玻色子僅有一步之遙的時候失敗了，這對這些科學家們來說才是最心痛的。

自從1930年加州大學的勞倫斯（EOLawrence）建立第一個迴旋加速器、高能粒子物理學剛剛誕生之時，美國和歐洲的科學家就開始展開競爭。

勞倫斯製造的是一個迴轉裝置，能夠利用磁場將質子加速到8萬電子伏特。

隨後，美國科學家開始建造更大、更複雜的迴旋加速器，用於發現同位素，並且在這個過程中獲得了一次諾貝爾獎。

勞倫斯製作出迴旋加速器後，歐洲科學家們也開始建造自己的加速器。

在分離原子核這一實驗時，歐美科學家開始公開競爭。

在那次實驗中，雙方實力接近，但是最終英國劍橋大學的Cavendish實驗室在諾貝爾獎得主歐內斯特·盧瑟福(ErnestRutherford)的帶領下，成功在美國科學家之前分離出原子核。

對撞機（Collider）作者、物理學家保羅·哈爾彭（Paul Halpern）表示：“勞倫斯最先提出迴旋加速器能夠被用於醫學領域。

這一想法太精妙了，因為隨後他就獲准研究迴旋加速器在醫學領域的運用，並且獲得了大量資金用於建造設備。

1942年，美國軍方提出曼哈頓計劃(Manhattan Project)之後，勞倫斯也希望把粒子物理學運用到其中。

此時，他研製的184英寸迴旋加速器已經能夠將各種粒子加速到1億電子伏特，為分離鈾的同位素提供了幫助。

不久後，美國科學家在高能物理學領域就超過了歐洲科學家。

當時在該領域占主導地位的是大型迴旋加速器。

他們在50年代和60年代製造的加速器已經能夠將粒子最高加速到10億電子伏特。

而美國勞倫斯伯克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley NationalLaboratory)高能質子同步穩向加速器（Bevatron）以及美國布魯克海文國家實驗室(Brookhaven NationalLaboratory）的Cosmotron加速器就是當時美國高能物理學的代表。

哈爾彭表示：“在布魯克海文國家實驗室，研究人員發現了聚焦光束的方法，從而能夠加大光度，增加粒子碰撞的次數。這次發現是該領域的一次偉大革新。”

在此之後出現了碰撞器，它不像加速器那樣，僅能夠將粒子光束以固定角度發射，碰撞器能使對立光束的粒子相互之間發生碰撞。

70年代，歐洲粒子物理研究中心以及美國的斯坦福線性加速器中心(Stanford Linear AcceleratorCenter)都製造出了小型碰撞器，其中，斯坦福線性加速器中心隨後還探測到了介子和輕子。

但是，為了進一步提高粒子的能量，還需建造體積更大、功能更強的大型碰撞器。

此時，費米國家實驗室並未急著將Tevatron加速器改造成碰撞器，而是集中技術力量，將這座加速器能量提高至1兆電子伏特。

在這個過程中，Tevatron加速器成功將粒子能量提升至300BeV以上，而這正是當時歐洲科學家所建造的超級質子同步加速器SPS(Super ProtonSynchrotron)設定的目標值。

這一結果對歐洲高能粒子物理領域造成了不小的打擊。

但是隨後，歐洲科學家又迎頭趕上，超越了美國高能粒子物理學界。

1978年，布魯克海文國家實驗室開始建造ISABELLE，希望能夠用其發現新的粒子，其中就包括W和Z波色子。

但在1981年，歐洲科學家將超級質子同步加速器SPS改造成一座質子反質子碰撞器，並且在兩年內發現了W和Z波色子。

儘管用於容納ISABELLE的4英里長隧道已經挖好，並且已經為此付出了2億美元的資金，1983年，該工程還是被取消。

隨後，美國科學家重新把研發重點放到Tevatron加速器上來，並且在1985年將其改造成了一座碰撞器。

歐洲則緊跟著建造了長達17英里的正負電子對撞機LEP(Large Electron-PositronCollider)。

但是，實際上，Tevatron加速器的主要競爭來自於實驗室兩個小組的科學家。

儘管Tevatron加速器性能已是十分強大，但是美國物理學家們受到ISABELLE失敗的影響，一直在想法超越歐洲粒子物理研究中心。

1983年開始，他們就計劃建造一座耗資50億美元、長達54英里的加速器，能夠將粒子加速到20兆電子伏特。

他們希望利用這一超級碰撞器來解答宇宙中所有懸而未決的問題。

美國科學家把這座碰撞器稱為超導超級對撞機(Superconducting Super Collider)。

超導超級對撞機的主管羅伊·舒維特表示：“這個對撞機是ISABELLE失敗後，美國物理學家希望超過歐洲高能粒子領域的產物。”

1986年，物理學家對超導超級對撞機進行了設計，國會也撥款2億美元用於製作平面圖。

但是，物理學家打算將其建造在費米國家實驗室，因為這樣的話，還能夠利用該實驗室的現成基礎設施。

同時，他們還打算，利用Tevatron加速器向超導超級對撞機輸送粒子。

但是後來，德克薩斯州承諾投入10億美元，因此得以把這座對撞機建造在德州境內。

儘管在建造超導超級對撞機的時候遇到了許多技術難題，而且這一做法還在美國物理學界內部出現了很多分歧，但由於里根總統以及布什總統都支持建造超導超級對撞機的方案，這一建造進程得以繼續。

當時，物理學家希望該對撞機能在1999年投入使用。

但隨後，超導超級對撞機的預算超過了100億美元，這項工程也遭到了越來越多的批評。

當時的美國總統比爾·克林頓向國會呼籲繼續支持超導超級對撞機計劃。

他稱：“在這個時候放棄超導超級對撞機建造工程無異於暗示美國可能放棄其在基礎科學領域的領導地位。”

1993年,儘管已經花費了20億美元，隧道也已經挖好了14公里，並且整個工程已經完成了四分之一，美國國會否決了超導超級對撞機(Superconducting Super Collider)計劃。

今後，如果要設計建造下一代大型對撞機，很可能會是一項國際工程。

國際物理學界已經開始初步計劃建造國際直線對撞機(International Linear Collider,簡稱ILC)，但有可能這一工程會無法付諸實踐。

本文譯自：連線編譯：金明(本文來源：網易探索)

引自：http://discover.news.163.com/09/0911/08/5ITSPI44000125LI_2.html