物理學家在對撞機困境面前需要勇氣

編譯 魏劉偉

1983年發現W和Z玻色子的對撞機實驗的領導者卡羅·魯比亞（Carlo Rubbia）認為，粒子物理學家現在應該共同在創新的“希格斯工廠”中將μ子碰撞在一起。

卡羅·魯比亞在2019年7月于德國舉行的第69屆林道諾貝爾獎得主大會上發表演講

整個世界都是由17個已知的基本粒子組成的。卡羅·魯比亞帶領的團隊發現了其中的兩個。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獎，因為他們對前一年發現W和Z玻色子的實驗做出了“決定性貢獻”。這些粒子傳遞四種基本力中的一種——即弱力，弱力導致了放射性衰變。

魯比亞在日內瓦附近的CERN實驗室進行了名為Underground Area 1（UA1）的實驗，這是一個大膽而雄心勃勃的項目，需要在高能粒子碰撞的混亂中尋找W和Z玻色子的蹤跡。數千億的質子和反質子被加速到接近光速，然后碰撞在一起。當時，反質子——當它們接觸到物質時會迅速毀滅自己——從來沒有被大量生產過。魯比亞的一些同行傾向于另一種對撞機和探測器的設計，他們認為反物質太不穩定，無法用這種方式進行控制。

“我們有過無數不同的想法。有很多競爭，但你不能同時做兩件事。”魯比亞說。最后，UA1方案獲勝并實施。

30多年后，粒子物理學再次面臨抉擇。下一步要進行的大型粒子對撞機實驗——如果真的建成了——將面臨一個選擇。雖然CERN的大型強子對撞機（LHC）性能完美，但它的碰撞沒有產生超出17種粒子之外的新粒子的跡象，粒子物理標準模型描述了這些粒子的性質和相互作用。這個模型對這些粒子的行為做出了非常準確的預測，但也被認為是對我們世界的不完整描述。它沒有包括引力或暗物質——天文學家認為這種神秘物質比正常物質豐富5倍——也沒有解釋宇宙中物質-反物質的不平衡。此外，許多理論家對標準模型無法自圓其說感到不安，例如：為什么有3個夸克和輕子家族，以及什么決定了粒子的質量？

85歲高齡的魯比亞仍然站在這一領域的前列，他并不為LHC的數據中缺乏“新物理學”這一問題所困擾。他敦促同行繼續尋找更多更好的數據，并相信答案最終會出現。希格斯玻色子——標準模型拼圖中的第17塊——于2012年在大型強子對撞機上實現了，現在，魯比亞希望通過一家最先進的“希格斯工廠”深入探索它的特性。

如何做到最好仍然有爭論，互相競爭的設計包括從周長100公里的環形電子-正電子對撞機到等離子體尾流場加速器。后者是一個桌面實驗，電子在快速加速的等離子體波上“沖浪”。對魯比亞來說，選擇是明確的。他表示，創新性的μ子對撞機可以在清潔的條件下產生數千個希格斯玻色子，其時間和成本僅是其他實驗的一小部分。μ子像電子一樣簡單，但要重得多，因此能夠產生更高能量的碰撞。批評人士指出，這樣的機器仍然遠遠超出了我們目前的技術能力。盡管這可能是技術上的難關，但μ子對撞機提供了一種精密儀器的前景，它有可能發現標準模型以外的新粒子的證據。

魯比亞在歐洲核子研究中心度過了漫長的職業生涯，包括從1989年開始擔任總干事5年。他還在家鄉意大利的格蘭薩索國家實驗室擔任領導角色，尋找質子衰敗的跡象。作為一名工程師和多產的發明家，魯比亞在過去的30年中花了相當的時間來尋找全新能源，比如由粒子加速器驅動的核能反應堆。

2019年7月，《量子雜志》在德國舉行的第69屆林道諾貝爾獎得主大會上采訪了魯比亞。在那里，他對來自世界各地的數百名年輕科學家進行了演講，他認為制造一臺μ子對撞機是加深了解宇宙基本構成的最佳選擇。他是個衣著考究、有著一雙銳利藍眼睛的人，無論在臺上還是在臺下都熱情洋溢。為了清楚起見，該采訪內容進行了精簡和編輯。

你發現了W和Z玻色子。為什么這是一個重要發現？

哈！我從來沒聽過這樣的問題！粒子加速器是科學計劃的重要組成部分，從根本上講，這是由好奇心驅動的。W和Z玻色子的發現是粒子物理學史上的一個結論。物質粒子如夸克和輕子，在實驗上得到了很好的解決，但是力的問題——即介導物質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，但是該實驗需要很高的能量——至少在當時是這樣。別忘了這些基本的選擇來自自然而不是個人。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，你是如何創造出如此高的能量的呢？

首先，我們必須學會如何建造碰撞束流機而不是加速器。因此我們修改了CERN現有的環形加速器，使粒子和反粒子可以注入。

積累反質子的問題是一個嚴肅的問題，因為只是在若干年前，加州大學伯克利分校才僥幸發現了反質子——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1 000億個粒子。不僅如此，我們還得用巨大的設備來冷卻它們，這樣它們才能裝進環形加速器。我必須感謝萊昂·范霍夫（Léon Van Hove）、約翰·亞當斯（John Adams）等人的巨大幫助和支持；沒有他們，這是不可能做到的。

幾年后，我們終于進入了W和Z的能量域，它們確實存在！然而，質子-反質子碰撞是非常復雜的碰撞，許多其他的相互作用會同時發生，所以我們需要更進一步。我們把CERN裝置從質子-反質子對撞機轉變成電子-正電子對撞機，我們建造了一個新的環：27公里的大型正電子對撞機實驗。這就產生了數以萬計的W和Z玻色子，它們都處于完美清潔的環境中。這導致了更多的諾貝爾獎，并完成了W和Z的故事。當然，現在，還有一件事，那就是希格斯玻色子。

但我們不是已經找到希格斯粒子了嗎？

是的，那是6年前的事了。現在的問題是：在清潔條件下，我們怎樣才能產生大量希格斯玻色子呢？這就要求有創新。

希格斯粒子是自然界的基本力中的第一個也是唯一的標量粒子——意味著它只有大小，沒有方向。每個粒子都有不同的故事，因此必須獨立去研究和理解。與其他力不同的是，希格斯場沒有首選方向，當你在鏡子中反射它時，它看起來也是一樣的。理解它和觀察W和Z一樣重要，這將終結標準模型中關于基本粒子的故事。

并非每個人都同意時間和資源應該集中在“希格斯工廠”上；他們認為，突破下一個能量界限去尋找新粒子才是優先選項。

你可以建造3倍于大型強子對撞機的圓形機器來碰撞電子和正電子；你可以升級LHC，甚至建造下一代直線加速器。對更高能量的探索為新物理學提供了希望——它可能是超對稱性，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子對撞機，澄清希格斯粒子的問題。我們已經有了我們想要探索的粒子。我們甚至可以通過非常精確地研究希格斯粒子來發現新物理學的跡象。因此我們不需要去建造100公里長的環形隧道。想想走100公里要花多少天！一切都必須非常實用，每一個部件都必須能夠起作用——如果人們成功讓它發揮作用，那將是一個奇跡。

“還記得在20世紀50年代，”恩里科·費米（Enrico Fermi）說道，“2000年的加速器環將是地球的周長。當然，這是一種荒謬的說法，但有一點：我們是否應該將資源用于建造龐大的設備？這有可能會實現，但需要20至30年的時間。我們花了20年時間耗費100億歐元后才發現希格斯粒子。所以如果你想更進一步的話，它會變得更加昂貴和復雜。”

毫無疑問，有一個解決方案：創建μ子對。μ子實驗是一個小環，大小是LHC的1%。這可以在現有的加速器中實現：CERN和歐洲散裂中子源都可以產生足夠數量的μ子。

你讓這聽起來很容易！創造一個窄的μ子束——也就是“冷卻”它們——以便在現有的粒子對撞機中使用，這不仍然是很困難的嗎？

是的，挑戰巨大，但在我看來，沒有任何重大風險就意味著存在巨大風險。我們提出了所謂的初始冷卻實驗，這個實驗是在很小的范圍內完成的，在這個實驗中，我們將開始構建所有的基本思想。它需要對μ子冷卻行為進行大量的測試和驗證，但它可以在幾年內完成。

然后，從此出發到建造一臺大機器，這是可以用傳統技術來完成的。當然，聰明的人可以在相當短的時間內用相對較小的成本完成這一任務。有很多工作要做，但是通過新的努力來改善現狀又有什么不對呢？

考慮到除了希格斯玻色子之外沒有新粒子在LHC中出現，那么下一個加速器發現新物理學的可能性有多大？

事實上，還有其他有趣的實驗，不僅僅是加速器。例如，在南極進行的中微子實驗正在成為制造更大、更復雜的加速器系統的新的替代方法。我認為這兩者之間的競爭是非常有成效的，將在未來幾年中結出果實。

我有點擔心CERN粒子物理學的未來，因為沒有任何LHC項目終止后的新的替代方案。當我負責CERN的活動時，每當我們擁有一臺新機器時，就會有下一臺機器即將到來。我們需要有更多的勇氣來共同商定備選方案。

在法西斯主義下成長和經歷第二次世界大戰是如何影響你的生活的？

你不知道當時歐洲是什么樣子的。當我4歲的時候，我記得我有一臺收音機，是我父親做的——當時的收音機是非常復雜的系統，有天線和其他東西。我們聽到希特勒在收音機里大喊大叫，然后戰爭開始了，在幾年內有8 800萬人喪生。我們都暴露在這種可怕的環境中，最終使我們完全歸零——然后我們不得不進行重建。

然而，你似乎在工作中始終都持樂觀的態度。

哦，是的，我很樂觀。你不能不樂觀。在經歷了如此復雜的歷史變遷之后，樂觀是最重要的事情，自那以后，歐洲取得了巨大進步。通過科學，歐洲的一體化是驚人的。這是一個非常重要的成功，從一個個的獨立的國家——相互仇恨、相互爭斗、相互戰爭——轉變成歐洲內部存在完全共識的局面。

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

我想在CERN工作，因為我還沒有準備好完全放棄我的歐洲本性，成為一名美國公民。我的許多歐洲同事搬到美國，成為完全被接受的合法美國公民。但我喜歡按我自己的方式做事，所以我想回來，因為我覺得歐洲是有可能取得進步的地方。事實上，在過去幾十年里，粒子科學一直是歐洲主導的。

除了粒子物理學之外，你還參與了大量可持續能源技術的研究。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。因此，可持續能源是一個至關重要的問題，我發現有新的方法可以讓我們解決這個問題，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，但我們也有頁巖氣，我們也有可燃冰——這個也許你不了解。可燃冰是在海洋深處發現的，是天然氣和水的結合物，它們比常規天然氣豐富10倍。所以我們有幾千年的天然氣儲量。

當然，天然氣會產生二氧化碳，這是如今人們最擔心的問題。那么如何才能在不排放二氧化碳的情況下生產這些東西呢？我們已經開發了一些方法，可以讓我們通過把甲烷分解為黑炭和氫——而非二氧化碳——的方式來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，這是不可能實際應用的，但是用我們的新方法——通過使用一些新的金屬——它可以在1 000攝氏度下完成。

你似乎經常推動躍變性技術。

實驗物理學是建立在好奇心驅動的觀察的基礎上。你不應該做別人做的事。你必須做一些獨特的事情，因為它允許你通過犯錯來改善情況——在找到正確的解決方案之前，你可能要改變25次主意。這是我在這一領域所采取的務實的做法。

在林道，你正在和幾百名年輕科學家談論你的工作和你對未來的想法。你希望把什么傳遞給他們？

年輕的科學家已經有足夠多要做的了，他們不需要我的建議！我們有權推動我們自己的未來，他們有權掌握自己的未來。我可以聽他們的，但我不能告訴他們該怎么做。

考慮到當前粒子物理學的危機，以及人類在創造可持續未來方面面臨的巨大障礙，你仍然是樂觀主義者嗎？

我如今和過去一樣樂觀。討論是復雜的，選擇是困難的，但到目前為止，在我漫長的一生中，我總是看到結果是積極的。所以我相信這次也會找到解決辦法。