物理學(xué)家在對(duì)撞機(jī)困境面前需要勇氣

編譯 魏劉偉

1983年發(fā)現(xiàn)W和Z玻色子的對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)者卡羅·魯比亞（Carlo Rubbia）認(rèn)為，粒子物理學(xué)家現(xiàn)在應(yīng)該共同在創(chuàng)新的“希格斯工廠”中將μ子碰撞在一起。

卡羅·魯比亞在2019年7月于德國(guó)舉行的第69屆林道諾貝爾獎(jiǎng)得主大會(huì)上發(fā)表演講

整個(gè)世界都是由17個(gè)已知的基本粒子組成的?？_·魯比亞帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了其中的兩個(gè)。1984年，魯比亞與西蒙·范德梅爾（Simon van der Meer）分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，因?yàn)樗麄儗?duì)前一年發(fā)現(xiàn)W和Z玻色子的實(shí)驗(yàn)做出了“決定性貢獻(xiàn)”。這些粒子傳遞四種基本力中的一種——即弱力，弱力導(dǎo)致了放射性衰變。

魯比亞在日內(nèi)瓦附近的CERN實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了名為Underground Area 1（UA1）的實(shí)驗(yàn)，這是一個(gè)大膽而雄心勃勃的項(xiàng)目，需要在高能粒子碰撞的混亂中尋找W和Z玻色子的蹤跡。數(shù)千億的質(zhì)子和反質(zhì)子被加速到接近光速，然后碰撞在一起。當(dāng)時(shí)，反質(zhì)子——當(dāng)它們接觸到物質(zhì)時(shí)會(huì)迅速毀滅自己——從來(lái)沒(méi)有被大量生產(chǎn)過(guò)。魯比亞的一些同行傾向于另一種對(duì)撞機(jī)和探測(cè)器的設(shè)計(jì)，他們認(rèn)為反物質(zhì)太不穩(wěn)定，無(wú)法用這種方式進(jìn)行控制。

“我們有過(guò)無(wú)數(shù)不同的想法。有很多競(jìng)爭(zhēng)，但你不能同時(shí)做兩件事。”魯比亞說(shuō)。最后，UA1方案獲勝并實(shí)施。

30多年后，粒子物理學(xué)再次面臨抉擇。下一步要進(jìn)行的大型粒子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)——如果真的建成了——將面臨一個(gè)選擇。雖然CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）性能完美，但它的碰撞沒(méi)有產(chǎn)生超出17種粒子之外的新粒子的跡象，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型描述了這些粒子的性質(zhì)和相互作用。這個(gè)模型對(duì)這些粒子的行為做出了非常準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，但也被認(rèn)為是對(duì)我們世界的不完整描述。它沒(méi)有包括引力或暗物質(zhì)——天文學(xué)家認(rèn)為這種神秘物質(zhì)比正常物質(zhì)豐富5倍——也沒(méi)有解釋宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)的不平衡。此外，許多理論家對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法自圓其說(shuō)感到不安，例如：為什么有3個(gè)夸克和輕子家族，以及什么決定了粒子的質(zhì)量？

85歲高齡的魯比亞仍然站在這一領(lǐng)域的前列，他并不為L(zhǎng)HC的數(shù)據(jù)中缺乏“新物理學(xué)”這一問(wèn)題所困擾。他敦促同行繼續(xù)尋找更多更好的數(shù)據(jù)，并相信答案最終會(huì)出現(xiàn)。希格斯玻色子——標(biāo)準(zhǔn)模型拼圖中的第17塊——于2012年在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上實(shí)現(xiàn)了，現(xiàn)在，魯比亞希望通過(guò)一家最先進(jìn)的“希格斯工廠”深入探索它的特性。

如何做到最好仍然有爭(zhēng)論，互相競(jìng)爭(zhēng)的設(shè)計(jì)包括從周長(zhǎng)100公里的環(huán)形電子-正電子對(duì)撞機(jī)到等離子體尾流場(chǎng)加速器。后者是一個(gè)桌面實(shí)驗(yàn)，電子在快速加速的等離子體波上“沖浪”。對(duì)魯比亞來(lái)說(shuō)，選擇是明確的。他表示，創(chuàng)新性的μ子對(duì)撞機(jī)可以在清潔的條件下產(chǎn)生數(shù)千個(gè)希格斯玻色子，其時(shí)間和成本僅是其他實(shí)驗(yàn)的一小部分。μ子像電子一樣簡(jiǎn)單，但要重得多，因此能夠產(chǎn)生更高能量的碰撞。批評(píng)人士指出，這樣的機(jī)器仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們目前的技術(shù)能力。盡管這可能是技術(shù)上的難關(guān)，但μ子對(duì)撞機(jī)提供了一種精密儀器的前景，它有可能發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型以外的新粒子的證據(jù)。

魯比亞在歐洲核子研究中心度過(guò)了漫長(zhǎng)的職業(yè)生涯，包括從1989年開(kāi)始擔(dān)任總干事5年。他還在家鄉(xiāng)意大利的格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)角色，尋找質(zhì)子衰敗的跡象。作為一名工程師和多產(chǎn)的發(fā)明家，魯比亞在過(guò)去的30年中花了相當(dāng)?shù)臅r(shí)間來(lái)尋找全新能源，比如由粒子加速器驅(qū)動(dòng)的核能反應(yīng)堆。

2019年7月，《量子雜志》在德國(guó)舉行的第69屆林道諾貝爾獎(jiǎng)得主大會(huì)上采訪了魯比亞。在那里，他對(duì)來(lái)自世界各地的數(shù)百名年輕科學(xué)家進(jìn)行了演講，他認(rèn)為制造一臺(tái)μ子對(duì)撞機(jī)是加深了解宇宙基本構(gòu)成的最佳選擇。他是個(gè)衣著考究、有著一雙銳利藍(lán)眼睛的人，無(wú)論在臺(tái)上還是在臺(tái)下都熱情洋溢。為了清楚起見(jiàn)，該采訪內(nèi)容進(jìn)行了精簡(jiǎn)和編輯。

你發(fā)現(xiàn)了W和Z玻色子。為什么這是一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)？

哈！我從來(lái)沒(méi)聽(tīng)過(guò)這樣的問(wèn)題！粒子加速器是科學(xué)計(jì)劃的重要組成部分，從根本上講，這是由好奇心驅(qū)動(dòng)的。W和Z玻色子的發(fā)現(xiàn)是粒子物理學(xué)史上的一個(gè)結(jié)論。物質(zhì)粒子如夸克和輕子，在實(shí)驗(yàn)上得到了很好的解決，但是力的問(wèn)題——即介導(dǎo)物質(zhì)粒子之間相互作用的粒子——還有待理解。

如今，W和Z被許多人提及和討論，但是該實(shí)驗(yàn)需要很高的能量——至少在當(dāng)時(shí)是這樣。別忘了這些基本的選擇來(lái)自自然而不是個(gè)人。理論家可以做他們喜歡做的事，但最終做決定的是自然。

那么，你是如何創(chuàng)造出如此高的能量的呢？

首先，我們必須學(xué)會(huì)如何建造碰撞束流機(jī)而不是加速器。因此我們修改了CERN現(xiàn)有的環(huán)形加速器，使粒子和反粒子可以注入。

積累反質(zhì)子的問(wèn)題是一個(gè)嚴(yán)肅的問(wèn)題，因?yàn)橹皇窃谌舾赡昵?，加州大學(xué)伯克利分校才僥幸發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子——而且它們只制造了很少的粒子。在這里，我們每天早上都需要制造1 000億個(gè)粒子。不僅如此，我們還得用巨大的設(shè)備來(lái)冷卻它們，這樣它們才能裝進(jìn)環(huán)形加速器。我必須感謝萊昂·范霍夫（Léon Van Hove）、約翰·亞當(dāng)斯（John Adams）等人的巨大幫助和支持；沒(méi)有他們，這是不可能做到的。

幾年后，我們終于進(jìn)入了W和Z的能量域，它們確實(shí)存在！然而，質(zhì)子-反質(zhì)子碰撞是非常復(fù)雜的碰撞，許多其他的相互作用會(huì)同時(shí)發(fā)生，所以我們需要更進(jìn)一步。我們把CERN裝置從質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)轉(zhuǎn)變成電子-正電子對(duì)撞機(jī)，我們建造了一個(gè)新的環(huán)：27公里的大型正電子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)。這就產(chǎn)生了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的W和Z玻色子，它們都處于完美清潔的環(huán)境中。這導(dǎo)致了更多的諾貝爾獎(jiǎng)，并完成了W和Z的故事。當(dāng)然，現(xiàn)在，還有一件事，那就是希格斯玻色子。

但我們不是已經(jīng)找到希格斯粒子了嗎？

是的，那是6年前的事了?，F(xiàn)在的問(wèn)題是：在清潔條件下，我們?cè)鯓硬拍墚a(chǎn)生大量希格斯玻色子呢？這就要求有創(chuàng)新。

希格斯粒子是自然界的基本力中的第一個(gè)也是唯一的標(biāo)量粒子——意味著它只有大小，沒(méi)有方向。每個(gè)粒子都有不同的故事，因此必須獨(dú)立去研究和理解。與其他力不同的是，希格斯場(chǎng)沒(méi)有首選方向，當(dāng)你在鏡子中反射它時(shí)，它看起來(lái)也是一樣的。理解它和觀察W和Z一樣重要，這將終結(jié)標(biāo)準(zhǔn)模型中關(guān)于基本粒子的故事。

并非每個(gè)人都同意時(shí)間和資源應(yīng)該集中在“希格斯工廠”上；他們認(rèn)為，突破下一個(gè)能量界限去尋找新粒子才是優(yōu)先選項(xiàng)。

你可以建造3倍于大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的圓形機(jī)器來(lái)碰撞電子和正電子；你可以升級(jí)LHC，甚至建造下一代直線加速器。對(duì)更高能量的探索為新物理學(xué)提供了希望——它可能是超對(duì)稱性，也可能是其他的，我不知道。但在探索更高能量之前，首先有必要建造μ子對(duì)撞機(jī)，澄清希格斯粒子的問(wèn)題。我們已經(jīng)有了我們想要探索的粒子。我們甚至可以通過(guò)非常精確地研究希格斯粒子來(lái)發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)的跡象。因此我們不需要去建造100公里長(zhǎng)的環(huán)形隧道。想想走100公里要花多少天！一切都必須非常實(shí)用，每一個(gè)部件都必須能夠起作用——如果人們成功讓它發(fā)揮作用，那將是一個(gè)奇跡。

“還記得在20世紀(jì)50年代，”恩里科·費(fèi)米（Enrico Fermi）說(shuō)道，“2000年的加速器環(huán)將是地球的周長(zhǎng)。當(dāng)然，這是一種荒謬的說(shuō)法，但有一點(diǎn)：我們是否應(yīng)該將資源用于建造龐大的設(shè)備？這有可能會(huì)實(shí)現(xiàn)，但需要20至30年的時(shí)間。我們花了20年時(shí)間耗費(fèi)100億歐元后才發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。所以如果你想更進(jìn)一步的話，它會(huì)變得更加昂貴和復(fù)雜?！?/p>

毫無(wú)疑問(wèn)，有一個(gè)解決方案：創(chuàng)建μ子對(duì)。μ子實(shí)驗(yàn)是一個(gè)小環(huán)，大小是LHC的1%。這可以在現(xiàn)有的加速器中實(shí)現(xiàn)：CERN和歐洲散裂中子源都可以產(chǎn)生足夠數(shù)量的μ子。

你讓這聽(tīng)起來(lái)很容易！創(chuàng)造一個(gè)窄的μ子束——也就是“冷卻”它們——以便在現(xiàn)有的粒子對(duì)撞機(jī)中使用，這不仍然是很困難的嗎？

是的，挑戰(zhàn)巨大，但在我看來(lái)，沒(méi)有任何重大風(fēng)險(xiǎn)就意味著存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。我們提出了所謂的初始冷卻實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在很小的范圍內(nèi)完成的，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們將開(kāi)始構(gòu)建所有的基本思想。它需要對(duì)μ子冷卻行為進(jìn)行大量的測(cè)試和驗(yàn)證，但它可以在幾年內(nèi)完成。

然后，從此出發(fā)到建造一臺(tái)大機(jī)器，這是可以用傳統(tǒng)技術(shù)來(lái)完成的。當(dāng)然，聰明的人可以在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)用相對(duì)較小的成本完成這一任務(wù)。有很多工作要做，但是通過(guò)新的努力來(lái)改善現(xiàn)狀又有什么不對(duì)呢？

考慮到除了希格斯玻色子之外沒(méi)有新粒子在LHC中出現(xiàn)，那么下一個(gè)加速器發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)的可能性有多大？

事實(shí)上，還有其他有趣的實(shí)驗(yàn)，不僅僅是加速器。例如，在南極進(jìn)行的中微子實(shí)驗(yàn)正在成為制造更大、更復(fù)雜的加速器系統(tǒng)的新的替代方法。我認(rèn)為這兩者之間的競(jìng)爭(zhēng)是非常有成效的，將在未來(lái)幾年中結(jié)出果實(shí)。

我有點(diǎn)擔(dān)心CERN粒子物理學(xué)的未來(lái)，因?yàn)闆](méi)有任何LHC項(xiàng)目終止后的新的替代方案。當(dāng)我負(fù)責(zé)CERN的活動(dòng)時(shí)，每當(dāng)我們擁有一臺(tái)新機(jī)器時(shí)，就會(huì)有下一臺(tái)機(jī)器即將到來(lái)。我們需要有更多的勇氣來(lái)共同商定備選方案。

在法西斯主義下成長(zhǎng)和經(jīng)歷第二次世界大戰(zhàn)是如何影響你的生活的？

你不知道當(dāng)時(shí)歐洲是什么樣子的。當(dāng)我4歲的時(shí)候，我記得我有一臺(tái)收音機(jī)，是我父親做的——當(dāng)時(shí)的收音機(jī)是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，有天線和其他東西。我們聽(tīng)到希特勒在收音機(jī)里大喊大叫，然后戰(zhàn)爭(zhēng)開(kāi)始了，在幾年內(nèi)有8 800萬(wàn)人喪生。我們都暴露在這種可怕的環(huán)境中，最終使我們完全歸零——然后我們不得不進(jìn)行重建。

然而，你似乎在工作中始終都持樂(lè)觀的態(tài)度。

哦，是的，我很樂(lè)觀。你不能不樂(lè)觀。在經(jīng)歷了如此復(fù)雜的歷史變遷之后，樂(lè)觀是最重要的事情，自那以后，歐洲取得了巨大進(jìn)步。通過(guò)科學(xué)，歐洲的一體化是驚人的。這是一個(gè)非常重要的成功，從一個(gè)個(gè)的獨(dú)立的國(guó)家——相互仇恨、相互爭(zhēng)斗、相互戰(zhàn)爭(zhēng)——轉(zhuǎn)變成歐洲內(nèi)部存在完全共識(shí)的局面。

在1960年搬到CERN之前，你在美國(guó)做了幾年的研究。是什么吸引你回歐洲的？

我想在CERN工作，因?yàn)槲疫€沒(méi)有準(zhǔn)備好完全放棄我的歐洲本性，成為一名美國(guó)公民。我的許多歐洲同事搬到美國(guó)，成為完全被接受的合法美國(guó)公民。但我喜歡按我自己的方式做事，所以我想回來(lái)，因?yàn)槲矣X(jué)得歐洲是有可能取得進(jìn)步的地方。事實(shí)上，在過(guò)去幾十年里，粒子科學(xué)一直是歐洲主導(dǎo)的。

除了粒子物理學(xué)之外，你還參與了大量可持續(xù)能源技術(shù)的研究。那是為什么？

在我的有生之年，地球上的人口增加了3.5倍，但一次能源的使用卻增加了12倍——今天出生的孩子不可能再承受12倍的增長(zhǎng)。因此，可持續(xù)能源是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，我發(fā)現(xiàn)有新的方法可以讓我們解決這個(gè)問(wèn)題，這是非常令人興奮的。

你押注在什么新方法上？

我們有可再生能源和化石燃料，還有一點(diǎn)核能。其中，天然氣非常豐富：我們有正常的天然氣，但我們也有頁(yè)巖氣，我們也有可燃冰——這個(gè)也許你不了解。可燃冰是在海洋深處發(fā)現(xiàn)的，是天然氣和水的結(jié)合物，它們比常規(guī)天然氣豐富10倍。所以我們有幾千年的天然氣儲(chǔ)量。

當(dāng)然，天然氣會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，這是如今人們最擔(dān)心的問(wèn)題。那么如何才能在不排放二氧化碳的情況下生產(chǎn)這些東西呢？我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些方法，可以讓我們通過(guò)把甲烷分解為黑炭和氫——而非二氧化碳——的方式來(lái)防止二氧化碳的排放。原則上，這種分解需要很高的溫度，大約2 000攝氏度，這是不可能實(shí)際應(yīng)用的，但是用我們的新方法——通過(guò)使用一些新的金屬——它可以在1 000攝氏度下完成。

你似乎經(jīng)常推動(dòng)躍變性技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)物理學(xué)是建立在好奇心驅(qū)動(dòng)的觀察的基礎(chǔ)上。你不應(yīng)該做別人做的事。你必須做一些獨(dú)特的事情，因?yàn)樗试S你通過(guò)犯錯(cuò)來(lái)改善情況——在找到正確的解決方案之前，你可能要改變25次主意。這是我在這一領(lǐng)域所采取的務(wù)實(shí)的做法。

在林道，你正在和幾百名年輕科學(xué)家談?wù)撃愕墓ぷ骱湍銓?duì)未來(lái)的想法。你希望把什么傳遞給他們？

年輕的科學(xué)家已經(jīng)有足夠多要做的了，他們不需要我的建議！我們有權(quán)推動(dòng)我們自己的未來(lái)，他們有權(quán)掌握自己的未來(lái)。我可以聽(tīng)他們的，但我不能告訴他們?cè)撛趺醋觥?/p>

考慮到當(dāng)前粒子物理學(xué)的危機(jī)，以及人類在創(chuàng)造可持續(xù)未來(lái)方面面臨的巨大障礙，你仍然是樂(lè)觀主義者嗎？

我如今和過(guò)去一樣樂(lè)觀。討論是復(fù)雜的，選擇是困難的，但到目前為止，在我漫長(zhǎng)的一生中，我總是看到結(jié)果是積極的。所以我相信這次也會(huì)找到解決辦法。