物理学家在对撞机困境面前需要勇气

编译 魏刘伟

1983年发现W和Z玻色子的对撞机实验的领导者卡罗·鲁比亚（Carlo Rubbia）认为，粒子物理学家现在应该共同在创新的“希格斯工厂”中将μ子碰撞在一起。

卡罗·鲁比亚在2019年7月于德国举行的第69届林道诺贝尔奖得主大会上发表演讲

整个世界都是由17个已知的基本粒子组成的。卡罗·鲁比亚带领的团队发现了其中的两个。1984年，鲁比亚与西蒙·范德梅尔（Simon van der Meer）分享了诺贝尔物理学奖，因为他们对前一年发现W和Z玻色子的实验做出了“决定性贡献”。这些粒子传递四种基本力中的一种——即弱力，弱力导致了放射性衰变。

鲁比亚在日内瓦附近的CERN实验室进行了名为Underground Area 1（UA1）的实验，这是一个大胆而雄心勃勃的项目，需要在高能粒子碰撞的混乱中寻找W和Z玻色子的踪迹。数千亿的质子和反质子被加速到接近光速，然后碰撞在一起。当时，反质子——当它们接触到物质时会迅速毁灭自己——从来没有被大量生产过。鲁比亚的一些同行倾向于另一种对撞机和探测器的设计，他们认为反物质太不稳定，无法用这种方式进行控制。

“我们有过无数不同的想法。有很多竞争，但你不能同时做两件事。”鲁比亚说。最后，UA1方案获胜并实施。

30多年后，粒子物理学再次面临抉择。下一步要进行的大型粒子对撞机实验——如果真的建成了——将面临一个选择。虽然CERN的大型强子对撞机（LHC）性能完美，但它的碰撞没有产生超出17种粒子之外的新粒子的迹象，粒子物理标准模型描述了这些粒子的性质和相互作用。这个模型对这些粒子的行为做出了非常准确的预测，但也被认为是对我们世界的不完整描述。它没有包括引力或暗物质——天文学家认为这种神秘物质比正常物质丰富5倍——也没有解释宇宙中物质-反物质的不平衡。此外，许多理论家对标准模型无法自圆其说感到不安，例如：为什么有3个夸克和轻子家族，以及什么决定了粒子的质量？

85岁高龄的鲁比亚仍然站在这一领域的前列，他并不为LHC的数据中缺乏“新物理学”这一问题所困扰。他敦促同行继续寻找更多更好的数据，并相信答案最终会出现。希格斯玻色子——标准模型拼图中的第17块——于2012年在大型强子对撞机上实现了，现在，鲁比亚希望通过一家最先进的“希格斯工厂”深入探索它的特性。

如何做到最好仍然有争论，互相竞争的设计包括从周长100公里的环形电子-正电子对撞机到等离子体尾流场加速器。后者是一个桌面实验，电子在快速加速的等离子体波上“冲浪”。对鲁比亚来说，选择是明确的。他表示，创新性的μ子对撞机可以在清洁的条件下产生数千个希格斯玻色子，其时间和成本仅是其他实验的一小部分。μ子像电子一样简单，但要重得多，因此能够产生更高能量的碰撞。批评人士指出，这样的机器仍然远远超出了我们目前的技术能力。尽管这可能是技术上的难关，但μ子对撞机提供了一种精密仪器的前景，它有可能发现标准模型以外的新粒子的证据。

鲁比亚在欧洲核子研究中心度过了漫长的职业生涯，包括从1989年开始担任总干事5年。他还在家乡意大利的格兰萨索国家实验室担任领导角色，寻找质子衰败的迹象。作为一名工程师和多产的发明家，鲁比亚在过去的30年中花了相当的时间来寻找全新能源，比如由粒子加速器驱动的核能反应堆。

2019年7月，《量子杂志》在德国举行的第69届林道诺贝尔奖得主大会上采访了鲁比亚。在那里，他对来自世界各地的数百名年轻科学家进行了演讲，他认为制造一台μ子对撞机是加深了解宇宙基本构成的最佳选择。他是个衣着考究、有着一双锐利蓝眼睛的人，无论在台上还是在台下都热情洋溢。为了清楚起见，该采访内容进行了精简和编辑。

你发现了W和Z玻色子。为什么这是一个重要发现？

哈！我从来没听过这样的问题！粒子加速器是科学计划的重要组成部分，从根本上讲，这是由好奇心驱动的。W和Z玻色子的发现是粒子物理学史上的一个结论。物质粒子如夸克和轻子，在实验上得到了很好的解决，但是力的问题——即介导物质粒子之间相互作用的粒子——还有待理解。

如今，W和Z被许多人提及和讨论，但是该实验需要很高的能量——至少在当时是这样。别忘了这些基本的选择来自自然而不是个人。理论家可以做他们喜欢做的事，但最终做决定的是自然。

那么，你是如何创造出如此高的能量的呢？

首先，我们必须学会如何建造碰撞束流机而不是加速器。因此我们修改了CERN现有的环形加速器，使粒子和反粒子可以注入。

积累反质子的问题是一个严肃的问题，因为只是在若干年前，加州大学伯克利分校才侥幸发现了反质子——而且它们只制造了很少的粒子。在这里，我们每天早上都需要制造1 000亿个粒子。不仅如此，我们还得用巨大的设备来冷却它们，这样它们才能装进环形加速器。我必须感谢莱昂·范霍夫（Léon Van Hove）、约翰·亚当斯（John Adams）等人的巨大帮助和支持；没有他们，这是不可能做到的。

几年后，我们终于进入了W和Z的能量域，它们确实存在！然而，质子-反质子碰撞是非常复杂的碰撞，许多其他的相互作用会同时发生，所以我们需要更进一步。我们把CERN装置从质子-反质子对撞机转变成电子-正电子对撞机，我们建造了一个新的环：27公里的大型正电子对撞机实验。这就产生了数以万计的W和Z玻色子，它们都处于完美清洁的环境中。这导致了更多的诺贝尔奖，并完成了W和Z的故事。当然，现在，还有一件事，那就是希格斯玻色子。

但我们不是已经找到希格斯粒子了吗？

是的，那是6年前的事了。现在的问题是：在清洁条件下，我们怎样才能产生大量希格斯玻色子呢？这就要求有创新。

希格斯粒子是自然界的基本力中的第一个也是唯一的标量粒子——意味着它只有大小，没有方向。每个粒子都有不同的故事，因此必须独立去研究和理解。与其他力不同的是，希格斯场没有首选方向，当你在镜子中反射它时，它看起来也是一样的。理解它和观察W和Z一样重要，这将终结标准模型中关于基本粒子的故事。

并非每个人都同意时间和资源应该集中在“希格斯工厂”上；他们认为，突破下一个能量界限去寻找新粒子才是优先选项。

你可以建造3倍于大型强子对撞机的圆形机器来碰撞电子和正电子；你可以升级LHC，甚至建造下一代直线加速器。对更高能量的探索为新物理学提供了希望——它可能是超对称性，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子对撞机，澄清希格斯粒子的问题。我们已经有了我们想要探索的粒子。我们甚至可以通过非常精确地研究希格斯粒子来发现新物理学的迹象。因此我们不需要去建造100公里长的环形隧道。想想走100公里要花多少天！一切都必须非常实用，每一个部件都必须能够起作用——如果人们成功让它发挥作用，那将是一个奇迹。

“还记得在20世纪50年代，”恩里科·费米（Enrico Fermi）说道，“2000年的加速器环将是地球的周长。当然，这是一种荒谬的说法，但有一点：我们是否应该将资源用于建造庞大的设备？这有可能会实现，但需要20至30年的时间。我们花了20年时间耗费100亿欧元后才发现希格斯粒子。所以如果你想更进一步的话，它会变得更加昂贵和复杂。”

毫无疑问，有一个解决方案：创建μ子对。μ子实验是一个小环，大小是LHC的1%。这可以在现有的加速器中实现：CERN和欧洲散裂中子源都可以产生足够数量的μ子。

你让这听起来很容易！创造一个窄的μ子束——也就是“冷却”它们——以便在现有的粒子对撞机中使用，这不仍然是很困难的吗？

是的，挑战巨大，但在我看来，没有任何重大风险就意味着存在巨大风险。我们提出了所谓的初始冷却实验，这个实验是在很小的范围内完成的，在这个实验中，我们将开始构建所有的基本思想。它需要对μ子冷却行为进行大量的测试和验证，但它可以在几年内完成。

然后，从此出发到建造一台大机器，这是可以用传统技术来完成的。当然，聪明的人可以在相当短的时间内用相对较小的成本完成这一任务。有很多工作要做，但是通过新的努力来改善现状又有什么不对呢？

考虑到除了希格斯玻色子之外没有新粒子在LHC中出现，那么下一个加速器发现新物理学的可能性有多大？

事实上，还有其他有趣的实验，不仅仅是加速器。例如，在南极进行的中微子实验正在成为制造更大、更复杂的加速器系统的新的替代方法。我认为这两者之间的竞争是非常有成效的，将在未来几年中结出果实。

我有点担心CERN粒子物理学的未来，因为没有任何LHC项目终止后的新的替代方案。当我负责CERN的活动时，每当我们拥有一台新机器时，就会有下一台机器即将到来。我们需要有更多的勇气来共同商定备选方案。

在法西斯主义下成长和经历第二次世界大战是如何影响你的生活的？

你不知道当时欧洲是什么样子的。当我4岁的时候，我记得我有一台收音机，是我父亲做的——当时的收音机是非常复杂的系统，有天线和其他东西。我们听到希特勒在收音机里大喊大叫，然后战争开始了，在几年内有8 800万人丧生。我们都暴露在这种可怕的环境中，最终使我们完全归零——然后我们不得不进行重建。

然而，你似乎在工作中始终都持乐观的态度。

哦，是的，我很乐观。你不能不乐观。在经历了如此复杂的历史变迁之后，乐观是最重要的事情，自那以后，欧洲取得了巨大进步。通过科学，欧洲的一体化是惊人的。这是一个非常重要的成功，从一个个的独立的国家——相互仇恨、相互争斗、相互战争——转变成欧洲内部存在完全共识的局面。

在1960年搬到CERN之前，你在美国做了几年的研究。是什么吸引你回欧洲的？

我想在CERN工作，因为我还没有准备好完全放弃我的欧洲本性，成为一名美国公民。我的许多欧洲同事搬到美国，成为完全被接受的合法美国公民。但我喜欢按我自己的方式做事，所以我想回来，因为我觉得欧洲是有可能取得进步的地方。事实上，在过去几十年里，粒子科学一直是欧洲主导的。

除了粒子物理学之外，你还参与了大量可持续能源技术的研究。那是为什么？

在我的有生之年，地球上的人口增加了3.5倍，但一次能源的使用却增加了12倍——今天出生的孩子不可能再承受12倍的增长。因此，可持续能源是一个至关重要的问题，我发现有新的方法可以让我们解决这个问题，这是非常令人兴奋的。

你押注在什么新方法上？

我们有可再生能源和化石燃料，还有一点核能。其中，天然气非常丰富：我们有正常的天然气，但我们也有页岩气，我们也有可燃冰——这个也许你不了解。可燃冰是在海洋深处发现的，是天然气和水的结合物，它们比常规天然气丰富10倍。所以我们有几千年的天然气储量。

当然，天然气会产生二氧化碳，这是如今人们最担心的问题。那么如何才能在不排放二氧化碳的情况下生产这些东西呢？我们已经开发了一些方法，可以让我们通过把甲烷分解为黑炭和氢——而非二氧化碳——的方式来防止二氧化碳的排放。原则上，这种分解需要很高的温度，大约2 000摄氏度，这是不可能实际应用的，但是用我们的新方法——通过使用一些新的金属——它可以在1 000摄氏度下完成。

你似乎经常推动跃变性技术。

实验物理学是建立在好奇心驱动的观察的基础上。你不应该做别人做的事。你必须做一些独特的事情，因为它允许你通过犯错来改善情况——在找到正确的解决方案之前，你可能要改变25次主意。这是我在这一领域所采取的务实的做法。

在林道，你正在和几百名年轻科学家谈论你的工作和你对未来的想法。你希望把什么传递给他们？

年轻的科学家已经有足够多要做的了，他们不需要我的建议！我们有权推动我们自己的未来，他们有权掌握自己的未来。我可以听他们的，但我不能告诉他们该怎么做。

考虑到当前粒子物理学的危机，以及人类在创造可持续未来方面面临的巨大障碍，你仍然是乐观主义者吗？

我如今和过去一样乐观。讨论是复杂的，选择是困难的，但到目前为止，在我漫长的一生中，我总是看到结果是积极的。所以我相信这次也会找到解决办法。