歐洲核研究組織60年

施郁

提到CERN，人們都知道是發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”（即希格斯粒子）的地方。在中國。經(jīng)常把CERN稱作“歐洲核子研究中心”。其實CERN的全稱是“歐洲核研究組織”。它的簡稱本來應(yīng)該是OERN，但因為不好讀，所以根據(jù)著名物理學(xué)家海森伯（W.K.Heisenberg）的建議，直接沿用了之前已經(jīng)聞名世界的籌備機(jī)構(gòu)“歐洲核研究委員會”的簡稱CERN。因此CERN簡稱中的C來自于“委員會”（conseil），而不是很多人以為的“中心”（center）。

CERN正式成立于1954年9月29日。2014年是它誕生60周年。CERN成立后，研究領(lǐng)域以高能粒子為主，因此實驗室也被稱為歐洲粒子物理實驗室。

CERN是目前世界上最大的實驗室，位于瑞士日內(nèi)瓦。其大型強(qiáng)子對撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC）跨越瑞士和法國兩個國家。目前正式成員國包括20個歐洲國家以及以色列，另外有1個候選成員國（candidate member state）和幾個協(xié)聯(lián)成員國（associate member states）。還有很多國家與CERN有合作關(guān)系。2013年，實驗室有兩千多名全職工作人員、一千多名兼職人員，以及一萬多名來自世界各國的協(xié)聯(lián)成員和訪問學(xué)者。

大型科學(xué)設(shè)施

60年間，CERN取得了很多成就，對這個時期的粒子物理研究立下了汗馬功勞。這些成就的取得當(dāng)然是建立在大大小小的科學(xué)設(shè)施基礎(chǔ)之上的，所以先檢閱一下CERN迄今主要的科學(xué)設(shè)施。

先看看探測裝置。1950-1960年代，主要用氣泡室探測粒子。氣泡室裝滿液體，粒子經(jīng)過時會產(chǎn)生氣泡，從而可用來探測粒子的路徑，拍下粒子徑跡的照片。以下是CERN用過的氣泡室。

氫氣泡室（Hydrogen Bubble Chamber，HBC）。1959年開始使用，直徑30厘米。1964年后的12年中，改換成更大的HBC 200，它有2米長，總共拍攝了4000萬張照片。

大型歐洲氣泡室（Big European Bubble Chamber，BEBC）。1973年開始使用，至1984年結(jié)束。共拍攝了600萬張照片，花費了2000公里的膠卷。直徑3.7米，裝配了當(dāng)時世界上最大的超導(dǎo)磁體，填充了35米³的液體。該氣泡室的粒子束來自質(zhì)子同步加速器，發(fā)現(xiàn)了D介子，為中微子研究立下汗馬功勞。

加爾加梅勒（Gargamelle）氣泡室。從1970年開始使用，1978年結(jié)束。名字來自法國作家拉伯雷（F.Rabelais）的小說《巨人傳》，是其中的巨人加爾岡蒂阿（Gargantua）母親的名字（順便提一下，最近的科幻電影《星際穿越》中的大黑洞名叫加爾岡蒂阿，想必取自《巨人傳》中巨人的名字，因為那個黑洞很大）。加爾加梅勒氣泡室是CERN第二大氣泡室，其圓柱體長4.8米、寬1.85米，體積為12米³，充滿13.5噸氟利昂。采用常規(guī)磁體，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)2特[斯拉]。它主要用于觀測中微子。記錄分析了83000個中微子事件。它最大的功績是發(fā)現(xiàn)中性流。

后來，氣泡室不能適應(yīng)粒子物理的發(fā)展，對于較高能量的粒子流，記錄頻率和氣泡室的大小都無法滿足要求，因此探測器的電子化不可避免。

1968年，沙爾帕克（G.Charpak）在CERN發(fā)明了多絲正比室（multiwire proportional chamber）。這個電子化的探測器每秒鐘可記錄上百萬的粒子跡徑，不久，多絲正比室升級為漂移腔。通過電子漂移時間的測量大大改進(jìn)了粒子位置測量的精度。

在粒子物理實驗室，最引人注目的大概是加速器。以下是CERN迄今建造運行過，或正在運行的主要加速器。

同步回旋加速器（Synchrocyclotron，SC）。從1957年開始運行到1990年結(jié)束。它將質(zhì)子加速到600兆電子伏。因為產(chǎn)生中微子，SC使得中微子成為CERN的一個主要研究對象。

質(zhì)子同步加速器（Proton Synchrotron，PS）。從1959年運行至今。周長628米，有100個磁體，共3800噸。質(zhì)子能量達(dá)到28吉電子伏，曾是世界上能量最高的質(zhì)子束?，F(xiàn)在是LHC的預(yù)備加速器。

線性粒子加速器（Linear Particle Accelerator，LINAC）。從1959年開始運行的LINAC1是CERN第一個質(zhì)子線性加速器。它預(yù)加速帶電粒子，然后注入大加速器（如PS）。從1978年至今，這個任務(wù)由LINAC2接替，而LINAC1用于離子加速等其他用途。

線上同位素分離器（Isotope Separator On Line Device，ISOLDE）。從1967年運行至今。它被連接到SC，分離短壽命的放射性同位素。

交叉儲存環(huán)（Intersecting Storage Rings，ISR）。這是世界上第一個質(zhì)子一質(zhì)子對撞機(jī)，1971年實現(xiàn)首次質(zhì)子碰撞，1984年停止運行。周長943米，占用了法國領(lǐng)土。質(zhì)子能量達(dá)28吉電子伏。有兩個直徑300米的同心磁體環(huán)，讓兩束質(zhì)子反向飛行，然后碰撞。歷史上的一些重要技術(shù)，如碰撞機(jī)原理、真空技術(shù)和隨機(jī)冷卻等是在ISR上發(fā)展起來的。

超級質(zhì)子同步加速器（Super Proton Synchrotron，SPS）。周長6912米，裝配有約1000個磁體。1976年開始運行，束能量達(dá)到400～450吉電子伏。1979年至1981年，SPS被改造為質(zhì)子-反質(zhì)子對撞機(jī)，1981年實現(xiàn)首次對撞。1983年，W和Z玻色子在SPS上被發(fā)現(xiàn)。

大型正負(fù)電子對撞機(jī)（Large Electron-Positron Collider，LEP）。隧道在地下100米，周長27公里。1989年開始運行，1995年增加了288個超導(dǎo)磁體。2000年停止運行，所有的機(jī)器拆除，隧道留給大型強(qiáng)子對撞機(jī)。LEP對粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的很多粒子做了精確測量，產(chǎn)生W和Z玻色子時，正負(fù)電子的能量達(dá)到幾十吉電子伏，2000年時達(dá)到209吉電子伏。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC）。有1232個超導(dǎo)偶極磁體和8500個其他磁體。ATLAS、CMS、ALICE和LHCb等探測器全部在2008年建成。磁體中有兩個直徑56毫米的管道，兩束質(zhì)子分別在其中反向回旋。每個粒子束有1毫米厚，在碰撞點的厚度壓縮到16微米。為了運行超導(dǎo)磁體，制冷系統(tǒng)用了1萬噸液氮和120噸液氦，溫度達(dá)到1.9開[爾文]。LHC的內(nèi)部壓強(qiáng)是10^-13大氣壓。2008年測試運行中發(fā)生事故；2009年開始以每個粒子3.5太電子伏的能量運行；2010年運行了一個月。2011-2013年，每年以4太電子伏各運行了一個月。2012年發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，希格斯場的作用在于導(dǎo)致描述弱電作用的楊-米爾斯理論發(fā)生自發(fā)規(guī)范對稱破缺。2015年LHC將以能量為7太電子伏運轉(zhuǎn)。

現(xiàn)在，CERN的幾種加速器可以協(xié)同工作。首先氫氣被拆成氫原子，在雙等離子器（Duoplasmatron）中，氫原子中的電子被剝離。質(zhì)子進(jìn)入LINAC2，加速到50兆電子伏，再注入質(zhì)子同步推進(jìn)器、質(zhì)子同步加速器和超級質(zhì)子同步加速器。超級質(zhì)子同步加速器將質(zhì)子加速到450吉電子伏后，注入LHC。LHC將每束質(zhì)子加速到7太電子伏。質(zhì)子碰撞發(fā)生在4個碰撞點，這里設(shè)置了6個探測器（ATLAS，CMS，ALICE，LHCb，LHCf和TOTEM）。另外也有質(zhì)子和鉛離子的碰撞。LHC中的碰撞可達(dá)每秒6億個，從中篩選出每秒200個，因此CERN的實驗產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量。

重要科學(xué)成就

1989年，為了使得散居世界各地的物理學(xué)家能方便聯(lián)系CERN的各個實驗、獲得試驗數(shù)據(jù)，當(dāng)時在CERN工作的伯納斯-李發(fā)明了一個新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這就是萬維網(wǎng)（World Wide Web，WWW）。他發(fā)展的概念，諸如URL，HTYP和HTML，人們一直使用至今。他和CERN沒有為這個發(fā)明申請專利，而是免費提供給全世界。這導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，改變了世界。2004年，伯納斯—李因此獲得千年技術(shù)獎，并被英王授予爵士稱號。

除互聯(lián)網(wǎng)外，CERN在粒子物理領(lǐng)域的諸多重要科學(xué)成就包括：關(guān)于電荷共軛宇稱（CP）不守恒的很多研究；多絲正比室的發(fā)明（1968）；弱相互作用中性流的發(fā)現(xiàn)（1973年）；量子色動力學(xué)的驗證（1979年）；弱相互作用的媒介子W和Z粒子的發(fā)現(xiàn)（1983年）；中微子味數(shù)3的確定（1989年）；希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)（2012年），等等。

以下結(jié)合這些成就，談?wù)凜ERN的幾位諾貝爾獎獲得者。

沙爾帕克因在CERN發(fā)明了多絲正比室而獲得1992年度諾貝爾物理學(xué)獎。沙爾帕克發(fā)明的多絲正比室，是一個充氣的腔體，內(nèi)有很多平行導(dǎo)線，每根導(dǎo)線連接一個放大器。之前已有正比室，即圓柱狀充氣金屬管中心有一根導(dǎo)線，與管壁間有合適電壓，粒子通過金屬管時導(dǎo)致氣體電離。從而雪崩式地產(chǎn)生電子。而沙爾帕克將很多導(dǎo)線平行放在兩個負(fù)極電板之間，從而測得粒子軌跡。

W和Z是弱相互作用的規(guī)范粒子，或稱媒介子。W粒子帶1個或-1個單位電荷，Z是電中性的。它們的發(fā)現(xiàn)確立了用楊-米爾斯規(guī)范理論統(tǒng)一描述弱和電磁相互作用的溫伯格-薩拉姆模型的正確性，導(dǎo)致實驗合作組領(lǐng)袖魯比亞（C.Rubbia）與提供關(guān)鍵技術(shù)（但未在魯比亞的文章上署名）的范德梅爾（S.van der Meer）獲得1984年度的諾貝爾物理學(xué)獎。他們的實驗是基于超級質(zhì)子同步加速器改造成的正反質(zhì)子對撞機(jī)。

而在此之前，早在1973年，拉加里格（A.Lagarrigue）領(lǐng)導(dǎo)的加爾加梅勒氣泡室合作組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了弱相互作用的中性流。當(dāng)時，在波恩的一個電子-質(zhì)子會議上，楊振寧宣布中性流的發(fā)現(xiàn)是該會議的亮點。中性流是電中性的Z粒子與光子的混合。

魯比亞和范德梅爾的工作獲得諾貝爾獎是很快的，大概僅次于李政道和楊振寧。這兩組物理學(xué)家都是在工作完成后的第二年獲獎。魯比亞的合作組UA1發(fā)現(xiàn)W粒子的文章是1983年1月23日收到，1983年2月24日發(fā)表：而他們發(fā)現(xiàn)Z粒子的文章是1983年6月6日收到，1983年7月7日發(fā)表。李政道和楊振寧獲得1957年獎的論文則是1956年6月22日收到，1956年10月1日發(fā)表。是歷史上獲得諾貝爾獎最快的工作。

因為中微子束實驗及u中微子的發(fā)現(xiàn)而與萊德曼（L.M.Ledermann）和施瓦茨（M.Schwartz）共同獲得1988年度諾貝爾物理學(xué)獎的施泰因貝格（J.Steinberger）原來是哥倫比亞大學(xué)教授，獲獎工作也是在美國做的。這個諾貝爾獎工作與李政道、楊振寧的理論工作有密切關(guān)系。施泰因貝格獲獎時已是CERN的雇員，因為他1968年搬到這里。1964年，中性K介子衰變CP不守恒在實驗上被發(fā)現(xiàn)，吳大峻和楊振寧正在做著名的唯象分析（2014年是這兩件事的50周年），在與他們的討論中，施泰因貝格獲得了測量中性K介子衰變?nèi)舾芍匾獏?shù)的想法。1964-1965年，施泰因貝格作為訪問人員在CERN實現(xiàn)了這些想法。

1968年施泰因貝格搬到CERN的時候，沙爾帕克正在發(fā)明多絲正比室。利用這個技術(shù)，1970-1974年，施泰因貝格做了很多關(guān)于CP不守恒的實驗，測得了很多參數(shù)。后來，施泰因貝格的合作組又研究吳-楊文章中討論過的所謂直接CP破壞，1988年證實它確實存在，1994和2002年又兩次提高參數(shù)的精度。

1979年，施泰因貝格領(lǐng)導(dǎo)CDHS合作組，通過SPS提供的中微子驗證了量子色動力學(xué)（QCD）的“標(biāo)度破壞”。這是QCD的第一個實驗證明。QCD是用楊-米爾斯理論描述夸克和膠子強(qiáng)相互作用的理論，它預(yù)言了核子的簡單的部分子模型所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)函數(shù)與動量轉(zhuǎn)移平方無關(guān)的結(jié)果會有所違反。

后來施泰因貝格領(lǐng)導(dǎo)了LEP計劃。1989年LEP首次測得中微子的味數(shù)。并在1995年得到改進(jìn)。1995年，施泰因貝格結(jié)束了實驗粒子物理生涯。

CERN的財政情況

CERN的財政由所有成員國分擔(dān)，比例各不相同。根據(jù)在CERN網(wǎng)站（http：//haome.web.cern.ch/）上的資料，CERN在2012-2014年的總預(yù)算分別如下（按1瑞士法郎=6.41424元折算）。

2012年：1092669300瑞士法郎，約70億元。

2013年：1246500000瑞士法郎，約80億元。

2014年：1094410000瑞士法郎，約70億元。

根據(jù)CERN的2013年年報，2013年總共花費1139.7兆瑞士法郎（MCHF），其中603.2MCHF用于人員（personnel），479MCHF用于材料（materials），40.9MCHF用于能源和水（energy and water），16.6MCHF用于利息和金融（interest and financial costs）。