費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室:大夢(mèng)想才能贏得大收獲(圖)
上：實(shí)驗(yàn)室的新主任Pier Oddone在計(jì)劃實(shí)驗(yàn)室的未來.
下：16層高的威爾遜大樓是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的行政大樓,實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人羅伯特·威爾遜相信：一個(gè)研究型實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該是學(xué)術(shù)界和國(guó)際文化的中心.大樓美麗的外形和內(nèi)部同樣美麗的粒子物理設(shè)施深深地吸引了物理學(xué)家.
據(jù)科學(xué)時(shí)報(bào)2005年6月22日?qǐng)?bào)道：費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室擁有迄今為止世界上最大的加速器,但一臺(tái)能量更大的加速器將于2008年在歐洲高能物理實(shí)驗(yàn)室建成,屆時(shí),美國(guó)政府將關(guān)閉費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的這臺(tái)加速器,實(shí)驗(yàn)室何去何從?即將出任實(shí)驗(yàn)室新主任的Pier Oddone選擇了冒險(xiǎn)：他希望耗資60億美元的國(guó)際直線加速器落戶費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室,他的目標(biāo)是讓費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室在下個(gè)十年中再次成為世界物理學(xué)的中心.
但日本也在積極爭(zhēng)取成為直線加速器的新主人.新一代的加速器究竟會(huì)花落誰家呢?《自然》雜志的記者Geoff Brumifiel走進(jìn)了費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室,看看它的希望有多大.
坐在自己的臨時(shí)辦公室里,今年60歲的物理學(xué)家Pier Oddone顯得從容、自信.今年7月,他將掌管美國(guó)高能物理實(shí)驗(yàn)室的先鋒——費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（簡(jiǎn)稱費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室）.Oddone的到來正值實(shí)驗(yàn)室的多事之秋：實(shí)驗(yàn)室的大型加速器raison d\'être已計(jì)劃于今后5年內(nèi)關(guān)閉.但他對(duì)實(shí)驗(yàn)室的未來持樂觀態(tài)度.
最高的能量尋找最小的粒子
Oddone將成為實(shí)驗(yàn)室的第15任主任.費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室是美國(guó)最大的高能物理實(shí)驗(yàn)室,在世界上是僅次于歐洲粒子物理研究所的第二大實(shí)驗(yàn)室.1967年11月21日,美國(guó)總統(tǒng)林頓·約翰遜簽署法案,授權(quán)美國(guó)原子能委員會(huì)成立國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室.1974年5月11日,為紀(jì)念原子時(shí)代卓越的物理學(xué)家、1938年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者恩里科·費(fèi)米,實(shí)驗(yàn)室改名為費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室.實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)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運(yùn)轉(zhuǎn)的,提高人類對(duì)物質(zhì)和能量的基本屬性的理解.
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室位于伊利諾伊州大草原邊上的巴達(dá)維亞,擁有2100多名政府雇員,年度預(yù)算為3.07億美元.實(shí)驗(yàn)室分別于1977年6月和1995年2月發(fā)現(xiàn)了基本粒子和力標(biāo)準(zhǔn)模型中的兩個(gè)主要部分：底夸克和頂夸克.1983年,實(shí)驗(yàn)室耗資1.2億美元建造了迄今為止世界上能量最強(qiáng)的碰撞器Tevatron.2001年7月,物理學(xué)家在Tevatron上第一次直接觀察到了τ中微子,從而開啟了物理研究的一個(gè)新時(shí)代.但在未來3年里,Tevatron將被歐洲高能物理實(shí)驗(yàn)室一個(gè)能量更大的對(duì)撞機(jī)——大型強(qiáng)子加速器(Large Hadron Collider,LHC)所取代.美國(guó)政府計(jì)劃在LHC啟用時(shí)就關(guān)閉Tevatron,費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室面臨一個(gè)非常不確定的未來.
由于環(huán)形電子對(duì)撞機(jī)向更高發(fā)展時(shí)遇到同步輻射能量損失隨束能量的四次方增長(zhǎng)的困難,因此,國(guó)際高能物理界達(dá)成共識(shí)：在LHC后,采用大型直線對(duì)撞機(jī)（International Linear Collider,簡(jiǎn)稱ILC）作為新一代的高能物理對(duì)撞機(jī).ILC是一個(gè)龐然大物,它將建造在總長(zhǎng)達(dá)30多公里的地下隧道里,使用最新的超導(dǎo)技術(shù)以5000億電子伏特的能量擊碎電子,預(yù)計(jì)到2016年前后才可建成,造價(jià)高達(dá)60億美元.正是因?yàn)橹本€對(duì)撞機(jī)昂貴又費(fèi)時(shí),全球只能建造一臺(tái).
大夢(mèng)想亦是大風(fēng)險(xiǎn)
Oddone夢(mèng)想讓直線對(duì)撞機(jī)落戶費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室.他希望通過與國(guó)際同行的努力,最遲于2010年底開始在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室建造直線對(duì)撞機(jī).他知道對(duì)撞機(jī)的建設(shè)需要科學(xué)界的合作、國(guó)際外交的協(xié)調(diào)和美國(guó)政府對(duì)巨額經(jīng)費(fèi)的承諾.這個(gè)計(jì)劃是一場(chǎng)冒險(xiǎn),它既可讓實(shí)驗(yàn)室恢復(fù)昔日的輝煌,也會(huì)因目標(biāo)或未來的不確定性而讓實(shí)驗(yàn)室飄忽不定.
物理學(xué)家們?cè)?979年開始建造Tevatron時(shí)就是懷著這樣一個(gè)大夢(mèng)想,他們的目標(biāo)是想確證頂夸克是否存在.夸克是構(gòu)成質(zhì)子、中子和其它亞原子粒子的基本元素,理論上它是由三種不帶整電荷的更基本的粒子組成,頂夸克和底夸克是其中最重的粒子.費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室曾在1977年用環(huán)型加速器探測(cè)到底夸克的存在.尋找更重的頂夸克意味著要用5億至15億電子伏特的能量擊碎質(zhì)子或反質(zhì)子,設(shè)計(jì)Tevatron的目的就是做這件事.通過進(jìn)一步的改造,對(duì)撞機(jī)在1995年捕捉到了頂夸克.新發(fā)現(xiàn)讓物理學(xué)家們歡呼雀躍,卻讓實(shí)驗(yàn)室的管理者們開始頭痛：下一步該怎么辦?
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室并不是惟一遭遇兩難處境的美國(guó)粒子物理實(shí)驗(yàn)室.諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Burton Richter是位于加州的斯坦福直線加速器中心的榮譽(yù)退休主任,他在1992年時(shí)也遇到過類似的問題.當(dāng)時(shí),實(shí)驗(yàn)室有一臺(tái)曾在1968年第一個(gè)探測(cè)到夸克的電子加速器,但這臺(tái)加速器的改造已經(jīng)走到了盡頭,沒有再發(fā)展的空間了.因此,Richter決定將加速器轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣艿腦射線源,供生物學(xué)家、化學(xué)家和材料學(xué)家確定分子和材料的結(jié)構(gòu).斯坦福直線加速器中心也開始了多樣化的研究,步入了天體物理學(xué)、射線探測(cè)和宇宙學(xué)的領(lǐng)域.今天,斯坦福直線加速器中心欣欣向榮,年度預(yù)算穩(wěn)定增加.
但費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室沒有選擇多樣性.它曾在20世紀(jì)90年代決定將Tevatron升級(jí)為能量更高的加速器.這一次,他們的夢(mèng)想是尋找希格斯粒子,如果理論學(xué)家的預(yù)言是正確的,那么這將有助于解釋為什么宇宙中的萬物都有質(zhì)量.捕獲希格斯粒子是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室下一個(gè)偉大的夢(mèng)想.
Tevatron最后一次升級(jí)花了政府?dāng)?shù)億美元,工程于2001年完工.但老化的Tevatron的事件并沒有因此完結(jié)：在過去幾年中它的基礎(chǔ)已經(jīng)開始松動(dòng)、下陷,一些旨在提高其能量的技術(shù)出現(xiàn)了意想不到的問題.今天,在經(jīng)過艱難的4年后,情況變得基本穩(wěn)定,但Tevatron失去了最佳時(shí)間,只有少數(shù)人相信歐洲高能物理實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器在2008年啟動(dòng)前,希格斯粒子會(huì)在Tevatron上被發(fā)現(xiàn).
這將實(shí)驗(yàn)室的處境置于地獄的邊緣.當(dāng)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)啟動(dòng)后,Tevatron將被關(guān)閉,從而讓許多物理學(xué)家無所事事,Richter說：“這將他們置于特殊的境地,現(xiàn)在的問題是如何從這種境地中走出來.”
只有全力以赴 才能夢(mèng)想成真
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室可以選擇類似斯坦福加速器中心的多樣化.費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室已將自己的觸角伸展到充滿宇宙的不帶電的微中子,但微中子的研究不足以維持實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的水平.實(shí)驗(yàn)室的許多物理學(xué)家對(duì)實(shí)驗(yàn)室使命的改變不屑一顧.CDF的發(fā)言人、物理學(xué)家Young Kee Kim說：“多樣化是最容易的解決方案,但最艱難的路才是最有意義的.”“從我的觀點(diǎn)來看,我們或者成為美國(guó)的高能中心,或者失去能量的前沿地位.”
Oddone同意這種觀點(diǎn).他說：“國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)是實(shí)驗(yàn)室目前最大的機(jī)會(huì).”在美國(guó)能源部的幫助下,費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室將提高它的加速器和對(duì)撞機(jī)研究,以期作為獲得新設(shè)備的強(qiáng)大承諾.Oddone說,如果事情進(jìn)展順利,因?yàn)槭褂弥本€對(duì)撞機(jī)探測(cè)希格斯等奇異的粒子,費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室在下個(gè)十年中將再次成為世界物理學(xué)的中心.
但是,這只是一個(gè)大膽的假設(shè).建造直線對(duì)撞機(jī)所需要的國(guó)際合作規(guī)模異常艱難,這里面充斥著經(jīng)費(fèi)的超限運(yùn)作、團(tuán)隊(duì)間的明爭(zhēng)暗斗和國(guó)際政治問題.即使對(duì)撞機(jī)事業(yè)向前進(jìn)了,但它未必一定落戶美國(guó).日本文部省的高能加速器研究中心(KEK)的常務(wù)主任說,日本正在全力以赴地希望將對(duì)撞機(jī)能安置KEK.
未來的不確定性讓實(shí)驗(yàn)室難以留住尚在實(shí)驗(yàn)室的幾千名訪問科學(xué)家.實(shí)際上,Tevatron的兩個(gè)主要探測(cè)器CDF和DZero的運(yùn)作已經(jīng)面臨人手不足的困境.DZero的發(fā)言人Jerry Blazey說：“許多人都想走,或者已經(jīng)走了,目前我們最重要的是堅(jiān)持住.”
現(xiàn)狀讓費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室越來越難以吸引從事線性對(duì)撞機(jī)模型研究的專家.在實(shí)驗(yàn)室的咖啡廳坐坐,你會(huì)發(fā)現(xiàn)情況好像會(huì)變得更嚴(yán)重.費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室正在盡最大努力營(yíng)造良好的氣氛.一種權(quán)宜之計(jì)是建一個(gè)能夠讓美國(guó)的研究人員可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)他們?cè)跉W洲高能物理研究中心的實(shí)驗(yàn).負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)中心建造的Avi Yagil說：“我們將可以看見在歐洲實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們看見的數(shù)據(jù).”
Oddone認(rèn)為費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室有人才、知識(shí)和空間來建造下一代的加速器,但除非全力以赴,否則夢(mèng)想不會(huì)成真.他說：“是的,這是一個(gè)巨大的風(fēng)險(xiǎn),問題是我們尋找的答案也有巨大的意義.”