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3 疯狂的实验（第1页）

3疯狂的实验

即使是诺贝尔奖得主，有时，也会犯错

欧洲核子研究组织咖啡厅，1995年春天某日近傍晚时分

我刚结束一场大型强子对撞机委员会的会议。该委员会成立于几年前，旨在评估新型加速器—大型强子对撞机的实验建议。委员会成员中有一位德国物理学家，他从事欧洲核子研究组织新机器大型正负电子对撞机（LEP）的OPAL实验。他非常友善，提出的问题很精准；与其他人不同的是，他对我们并不咄咄逼人，而且很明显，他站在我们这一边，我们这些年轻的物理学家们所投入的事业在其他人看来是不可能完成的。他的名字是罗尔夫·赫尔，当我们发现希格斯玻色子时，他成了欧洲核子研究组织的总干事。

穿过咖啡厅时，我遇到了卡罗·鲁比亚。咖啡厅是欧洲核子研究组织最重要的场所之一。中央餐厅，实验室的三个餐厅之一，是最拥挤的，人们也会在休息时来这里喝咖啡，或在晚餐后喝啤酒。我们在这些桌子上讨论，交流彼此的想法，寻求解决方案。各个民族的人们都在用不同的语言进行激烈的辩论，这就是为什么我认为餐巾纸也许是现代最重要的科学工具。成千上万的餐巾纸被用来写方程式、绘制探测器或讨论费曼图，它们构成了所有新交响曲的第一篇乐谱。讨论结束后，它们被扔进垃圾桶——但如果它们被收集并被保存下来，我们就能在其中找到过去几十年来一些最重要的科学见解。

大约一年前，鲁比亚结束了他作为欧洲核子研究组织总干事的任期，回到他狂热的研究活动中，四处奔走。一如既往，欧洲核子研究组织是一座充满创意和首创精神的火山，最重要的是，这里非常奇妙。我们正在进行的紧凑渺子线圈实验就源自米歇尔·德拉·内格拉和吉姆·维尔迪的想法，这两位是鲁比亚的学生，是鲁比亚在发现W和Z玻色子时，在UA1实验中与他一起工作的年轻人。我相信鲁比亚了解我研究中的所有细节，并且也知道我们的项目基于许多新的想法，其中一些是真正革命性的。

当他带着惯常的攻击性口吻对我说：“你在忙活什么呢，紧凑渺子线圈的年轻人？你为什么不来我的办公室聊聊呢？”我知道我这一小时会很难熬。在这里，我在黑板前，在诺贝尔奖得主的书房里，绘图、解释、回答着越来越紧迫的问题。鲁比亚非常好奇，很显然，他正在尽一切努力使我陷入困境。我满头大汗，努力保持镇静，争论，为自己辩护。然后，他突然沉默了；在整整半个小时的时间里，他让我继续讲下去，不打断我在黑板上画东西。“所以，”我向他解释说，“我想可以建造一个能经受大型强子对撞机辐射的追踪器。我知道很多技术还不成熟，但我们应该去做。”然后接着说道，“是的，现在的成本可能难以控制，但我们有一些想法可以大幅降低成本……我知道这样构想出来的探测器似乎很有未来感，但是，如果我们这样做的话，它将允许我们以能清楚地识别希格斯玻色子的精确度来重建电子和μ子信号。有了这个探测器，我们就把希格斯玻色子装进了袋子里。”当我放下粉笔，转身看他的时候，鲁比亚脸上带着一种非常怀疑的表情。很明显，我告诉他的事他一个字也不相信。他的最后声明没有任何余地，这是一项无法上诉的判决：“这永远不会奏效。你会在水里挖出一个大洞。”

当离开这个房间的时候，我有一个清楚的想法，我对未来几年的工作重心有了明确的想法：证明可以构建大型强子对撞机的追踪器，即测量粒子轨迹的仪器。即使是诺贝尔奖得主，有时，也会犯错。

伟大的追寻开始了

寻找希格斯玻色子的工作并没有在其存在被假设提出后就立即展开。起初，人们并不完全清楚粒子在新理论中所起的决定性作用。直到20世纪70年代中期，当标准模型最终被科学界接受时，人们才进行了系统的尝试来验证其所有预测，包括这种非常特殊的玻色子的存在。

那篇引起实验物理学家注意的文章发表于1975年。在经历了几十年的疯狂追寻之后，今天重读理论家约翰·埃利斯和迪米特里·纳普洛斯最初研究得出的结论，也会让人感到好奇。在描述了新粒子的特征和它衰变的各种方式之后，两位科学家得出了这样的结论：“我们向实验物理学家道歉，因为我们不知道希格斯玻色子的质量，也不知道它与其他粒子的耦合，只不过它们可能非常小。由于这些原因，我们不想鼓励大规模的实验研究，但我们觉得有责任告诉那些将要在希格斯玻色子存在的情况下进行潜在敏感性实验的人，希格斯玻色子是如何逃离在他们的实验数据之外的。”

没有人会想到，在这样谨慎的言辞之后，物理学史上耗时最长、耗资最大的粒子追寻终将结束。标准模型赋予了希格斯玻色子一个非常明确的角色，并精准地确定了它的所有特征。除了一点，对于那些将要寻找它的人来说，这是最重要的：质量。理论上，它是一个自由参数，就像你正在寻找的东西可以像蝴蝶一样轻，也可以像大象一样重。这幽灵般粒子的许多特性取决于质量：首先是可以产生幽灵般粒子的原理以及能够产生这种现象的可能性；然后是玻色子实际存在的时间段，最后是它衰变并分解成其他粒子的方式。

在这一点上必须记住，自然界中稳定的自由粒子，如光子、电子和质子，是少数。还有一小群其他粒子，如中子和μ子，它们虽然不稳定，但寿命足以在探测器中留下信号。不过自然界的绝大部分是由不稳定的粒子组成的，也就是说，它们会立即衰变成其他粒子，希格斯玻色子也不例外。因此，我们不能考虑直接识别它，不能指望通过它在测量仪器上留下的直接痕迹而观测到它。它的存在是根据它衰变产物的记录和研究推断出来的，而质量是决定它将产生哪些其他粒子的决定性参数。可能性的范围是巨大的，对于那些敢于追寻它的人来说，这是一个真正的噩梦。这就像在太平洋寻找新的动物物种，却不知道它们是生活在岛屿植被中的小昆虫，还是大型深海鱼类。

这种情况与W和Z玻色子的研究完全不同。当鲁比亚决定修改当时最强大的加速器以实现其目的时，目标非常明确：精确地探索W和Z玻色子可能隐藏的质量区域。电弱理论自信地预测，它们的质量一定是80~90GeV[20]—几乎是氢原子质量的100倍，并且这些粒子所有产生和衰变模式都得到了明确定义。只需要建立一个足够强大的加速器，并把注意力集中在正确的能源值上即可。

然而，对希格斯玻色子的探索则要复杂得多，且充满不确定性。首先，它不一定存在。标准模型需要一些机制来打破弱相互作用和电磁相互作用之间的对称性，但这个机制不一定是布劳特、恩格勒和希格斯所描述的。其他物理学家也提出了不同的模型，当然没有那么优雅，但这也不是自然界第一次选择与我们想象的不同的路径。其次，即使掌握了这个非常重要的机制，理论上也没有什么能阻止希格斯玻色子像电子一样轻，或者比大质量的W和Z玻色子重10倍。探索它的可能性范围是巨大的。

如果希格斯粒子是轻粒子，它的间接效应就应该在许多探索过程中已被发现，而不必建造大型加速器来产生它。另外，如果它质量很大，除了建造一个足够强大的加速器，没有其他捷径。

追寻悄悄地开启了，但事情从一场错误的警报开始有了疯狂的节奏。

1984年的夏天，在我们发现W和Z玻色子的几个月之后，在德国汉堡附近的Desy实验室，正负电子对撞机DORIS最近刚进行了升级。从最初的几个月开始，探测器开始记录一些非常奇怪的东西。在8。33GeV左右，一些非常特殊的状态正在发酵，典型的“中性和不稳定的东西”以一种无法解释的频率衰减。令人兴奋的是，这是一个明确的信号：一切都表明希格斯玻色子已经出现了。

这一发现在最负盛名的场合宣布，即在德国莱比锡举行的高能物理国际会议上。这是一颗重磅炸弹，立即引发了激烈的反响和讨论。当其他团体探究到相同的信号时，问题就解决了：没有人看到它们。DORIS自己的物理学家在收集了更多的数据后，最终承认信号从未返回过。没有人知道这到底是一个错误，还是统计上的恶性波动。

在接下来的几十年里，寻找希格斯玻色子的过程中陆续出现其他错误的警报，但是，这颇具争议的第一次警报的作用，是将发现希格斯粒子的重要性推向了关注中心。从那时起，所有新的实验都把大量的注意力投到希格斯粒子的研究上。

“指环王”—各式各样的储存环

要发现新的粒子，首先需要的是一个能够产生它们的加速器。也就是说，这个粒子加速器能够让碰撞发生，并且在碰撞中形成的能量大于要产生的粒子的质量。这是爱因斯坦著名的质能等价理论的应用。当一束粒子与另一束粒子相互碰撞时，碰撞的能量可以转化为质量：碰撞的能量越大，产生的粒子质量越大，我们就越接近大爆炸之后宇宙的最初时刻。因此，加速器的竞赛越来越激烈了。

用于碰撞的粒子，人们使用的通常是最常见的粒子，其中包括带电荷粒子：电子、质子，有时还包括它们的反粒子（正电子和反质子）。电荷必不可少，因为可以利用电磁定律使它们加速，并且让它们保持在轨道中。强电场会产生增强其能量所需的加速度，而强磁场会使加速粒子的轨迹弯曲，使其绕着环形轨道运动。

一种早期的粒子加速器使用电子和正电子，它们是点状粒子。当它们正面碰撞时，就会湮灭，也就是说，它们完全消失了，它们的能量完全转化为其他粒子。从实验的角度来看，情况非常清楚，过程也简单，可以在最接近理想状态的情况下产生和研究新粒子。以电子和正电子为基础的加速器，其缺点在于粒子无法达到太高的能量。这些粒子实际上是轻质的，当它们在环形轨道上运动时，它们通过辐射损失了相当一部分的能量，也就是说，它们会发出一种特殊形式的光，也被称为同步辐射。

使用质子（或反质子）的加速器则不存在上述缺点。质子比电子重得多，发出同步辐射的可能性要小得多，因此质子可以被加速到更高的能量。然而，与电子不同，质子不是点状粒子，而是由夸克和胶子组成的复杂结构。这使得碰撞更加复杂。

如果我们可以将质子扩大到一个房间的大小，就会发现物质的区域将只占总体积的很小一部分。组成这个空间的夸克，以及相互交换且因为自身之间的强相互作用而留在这个空间的胶子，直径都只有几毫米的大小，因此，在大多数情况下，当两个质子发生碰撞时，没有发生什么真正有趣的事情就不足为奇了。在大多数情况下，碰撞是在外围发生的，两个质子在一定距离处相互作用，并从碰撞中毫发无损地出来，只是略微偏离了它们原来的运动轨迹。当碰撞变为某种正面碰撞时，质子会分裂，部分能量会转化为新的粒子。在极少数情况下，正面碰撞影响到夸克和胶子物质集中的小区域时，可以利用的能量最大，而且在极罕见的情况下，会产生质量最大的粒子，包括可能是前所未有的粒子。由于只有一小部分的质子参与了夸克或胶子之间的正面碰撞，可用于产生新粒子的最大能量也只是加速质子总能量的一小部分。

过去几十年的经验告诉我们，主要的两类加速器在某些方面是互补的。电子加速器是进行精确研究的理想工具，而质子加速器则是卓越的探索加速器，是探索能量前沿、寻找新粒子的先驱。

对于两种加速器而言，能量都是基本参数。首先，由于低于一定的阈值，直接产生人们所寻找的大质量粒子是没有希望的。其次，由于产生粒子的概率随着能量的增加而大幅增加：能量越高，产生的给定质量的粒子就越多。如果我们能产生大量的粒子，我们就能选择最清晰的衰变模式，促成最明显信号的特征，或许还能发现一些基本的东西，帮助我们比其他人更早地了解宇宙。

高能意味着只有使用极强的磁场，也就是非常昂贵的磁铁，才能阻止粒子沿圆周轨道旋转。目前技术的发展是有局限性的。可以达到的最大磁场定义了人们能想到的最小曲率半径，这就是我们得到现代巨型加速器的方式。

最后，加速器产生的粒子数也是该特定过程中每秒能够产生的碰撞数的函数。用术语来说，就是所谓的加速器的亮度。加速器的能量和亮度，这两个基本参数的选择是最重要的，它可以决定一项伟大的科学事业的成败。

如果人们在定义新加速器的特性时仍然过于谨慎，成本会降低，但冒险可能会导致彻底的失败。冒低于正在寻找的新粒子的生产阈值的风险，或者能产生一些粒子，但不足以提取出清晰的信号。与此同时，其他人可能建造出更强、亮度更大的加速器，率先发现这一粒子。没有人会记得你节省的资源，而每个人都会永远记得你的投资是一个失败的选择。反过来也一样。当你做出了一个过于激进的选择，如果提议的技术太超前，你仍然有失败的风险，要么是由于无法让机器运转起来，要么是由于成本激增。

粒子物理学家就是在这条像刀刃一样锋利的薄脊上提出他们的建议，有时甚至拿自己的职业生涯做赌注。高能物理学是一个竞争激烈的领域。在这个领域中，科学家实现知识领先地位的目标，往往与希望在领先技术领域中保持或占据领导地位的国家野心交织在一起。在这样一个滑溜溜的赛道上，伟大的科学成就和巨大的失败之间区别可能就是细节问题。

从沃克西哈奇到大型强子对撞机：一场激烈的竞争

在20世纪的大部分时间里，美国在高能物理学方面处于领先地位。1930年，29岁的欧内斯特·劳伦斯刚被伯克利聘为年轻教授。他找到了一种方法，通过发明回旋加速器，使粒子加速器更加紧凑和高效，回旋加速器是第一个环形加速器。其余部分来自巨大的投资和曼哈顿计划的成功。自那以后，美国历届新政府都保证大力支持越来越雄心勃勃的项目，并暗自希望，通过一系列揭秘或许有可能获得新的、非凡的能源。几十年来，正是由于一系列不间断的成功，才巩固了美国在全球层面无可争议的领导地位。任何想要参与高能物理学前沿研究的人，都必须获得一张进入美国实验室的门票。

在美国，没有人认为1954年欧洲核子研究组织的诞生是一个真正的挑战。俄罗斯几年前也在莫斯科附近的杜布纳启动了其加速器项目，但没有任何相关的事情发生。美国获得的领导地位过于稳固，以至于不认为新的欧洲实验室会在某种程度上削弱其主导地位。事实上，欧洲核子研究组织，在其诞生的头几十年里就建造了出色的加速器，并产生了良好的测量结果，但没有历史性的重要意义。

鲁比亚发现的W和Z玻色子在美国引起了不小的轰动。美国科学家们已经准备了详细的计划，以防错过这巨大的成功以及肯定能加冕的诺贝尔奖。自1974年起，他们提议在纽约附近的布鲁克海文建造一个新的加速器，他们还选择了一个漂亮的缩写ISA，即伊莎贝尔（Isabelle），指交叉存储加速器（IeAccelerator）。