美国最大粒子加速器即将关闭

2011-9-28 08:24 来源: 科学时报
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自从1985年2月13日记录下第一次碰撞以来,物理学家们在Tevatron上取得了许多重要成果。

  9月30日,高能物理学家将关闭位于美国伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室的万亿电子伏特加速器(Tevatron)。作为这个国家最大的粒子加速器,Tevatron始建于1983年8月,在1/4世纪里,它君临天下,是世界能量最强的原子对撞机。直到一年半前,欧洲大型强子对撞机(LHC)启用,它才屈居第二。 

  发现顶夸克 

  从顶夸克的发现、W玻色子质量的精确测量到陶中微子的发现,物理学家在Tevatron上取得过许多重要成果。《科学》杂志的文章指出,2011年9月的最后一个星期,当物理学家们聚集在费米实验室回顾Tevatron的传奇历史时,他们会说,它产生过许多杰出的成就,但没有突破性的发现让物理学家们能够重新思考标准模型中的基本粒子和力。普林斯顿高等研究中心的理论物理学家保罗·兰格克尔表示:“它是一个相当可靠的设施,它没有产生出大的、意料之外的结果,它发挥了自己的作用。”

  费米实验室是美国最大的高能物理研究实验室,根据美国总统林登·约翰逊1967年11月21日签署的法案建立,由美国大学研究协会负责运行,受联邦政府能源部管辖。创建实验室的目的是探索自然界最微小的部分——存在于原子中的世界,了解宇宙是如何形成和运行的,提高人类对物质和能量基本属性的认识。为了开展高能物理前沿和相关学科的研究,费米实验室需要建造和运行大型科学设施——加速器,它最著名的加速器就是Tevatron。

  1983年8月,Tevatron项目在芝加哥郊外的大草原上破土动工,当时计划耗资1.2亿美元建成世界上最强的粒子加速器——质子和反质子对撞机,6.28公里长的圆形加速器轨道由1000多个超导磁铁构成,它们将质子和反质子按相反方向在真空管中加速到光速的99.99999954%,然后在两个5000吨的探测器中对撞,这种接近光速的高能量碰撞产生了大量全新的亚原子粒子,然后很快衰变。科学家们通过分析这些碰撞“碎片”来探究物质的结构、空间和时间。

  回顾28年的历史,《科学》的文章指出,Tevatron最大的成就是碰撞出一个名为“顶夸克”的粒子。1995年3月3日,费米实验室宣布发现顶夸克,这一发现成为世界各大媒体的头条新闻,它是在两个探测器上工作的物理学家的共同胜利,当时,在每个探测器上工作的物理学家大约有450多位。

  顶夸克是物质组成的第6种基本粒子,它的发现在物理学上有重要意义。但也有科学家质疑顶夸克的发现是否配得上科学界的最高荣誉——诺贝尔奖。早在1973年,日本物理学家小林诚和益川敏英已经预言在上下夸克之处有第三种夸克的存在;1975年,以色列理论学家哈伊姆·哈拉里将这两个假想粒子命名为顶、底夸克。密歇根大学的理论物理学家戈登·凯恩说:“每个人都知道顶夸克的事。”因为顶夸克的发现,小林诚和益川敏英获得了2008年的诺贝尔物理学奖。

  即使那些认为顶夸克的发现应该获诺贝尔奖的科学家也表示,对这一发现授奖有困难,因为这是一个大型实验合作项目,很难确定谁该获奖。

  理应更出色

  在顶夸克之外,在Tevatron上的实验还证实和充实了标准模型,比如它的探测器精确地测量了W玻色子的质量,这个参数限制了标准模型预言的最后一个尚未在实验中被观察到的基本粒子——希格斯玻色子的质量。希格斯玻色子被喻为上帝的粒子,它是物理学家解释所有基本粒子质量的关键。

  顶夸克被发现后,粒子物理学模型所预言的61个基本粒子中的60个均得到了实验的支持与验证,捕获希格斯粒子成为费米实验室的一个伟大梦想。在花了数亿美元后,Tevatron的最后一次升级于2001年完成,经过艰苦的努力,物理学家们没有在Tevatron上发现希格斯粒子,而欧洲大型强子对撞机的启用使得Tevatron被迫关闭。

  费米国家加速器实验室第一任主任罗伯特·威尔逊为实验室制定的原则是:杰出的科学、艺术的瑰丽、土地的守护神、经费上的精打细算和机会等。高能物理学家们认为,Tevatron本身就是一项开创性成就。它是世界上第一个使用超导磁铁的加速器。在Tevatron的早期,欧洲粒子物理学实验室CERN的物理学家林恩·埃文斯曾在那里工作,他后来指导了CERN的大型强子对撞机的建造,他说:“在Tevatron,我学会了如何建造超导设备。如果愿意,你可说Tevatron是大型强子对撞机的原型。”

  也有科学家对Tevatron和费米实验室提出批评意见。凯恩就认为,费米实验室应该作出比发现顶夸克更大的成就:发现W玻色子和Z玻色子。物理学家们在20世纪60年代预言,像光子携带电磁力一样,这些基本粒子能够传送弱核力。1983年,CERN的物理学家们在超级质子同步加速器上发现了W玻色子和Z玻色子,1年后,因这一发现,物理学家卡洛·鲁比亚和西蒙·范德梅尔分享1984年的诺贝尔物理学奖。

  然而,早在1976年,鲁比亚和两位同事就建议费米实验室用Tevatron的前身寻找W玻色子和Z玻色子。实验室的领导拒绝了这一建议,但埃文斯认为,当时的条件不足以实现这个目标,费米实验室的官员正在推进Tevatron的建造,实验室官员们的决定是正确的,“如果他们不决定建Tevatron,我并不认为顶夸克会被发现”。

  《科学》的文章认为,尽管Tevatron只发现了它所寻找的东西,但它将作为一个非常好的科学设备留名历史。