卡罗·鲁比亚：我们需要怎样的下一代对撞机

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卡罗·鲁比亚：我们需要怎样的下一代对撞机是怎么回事，是真的吗？2019年08月28日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                卡罗·鲁比亚：我们需要怎样的下一代对撞机
                               
                                下一代对撞机应该是什么样子？粒子物理学将走向何方？诺贝尔物理学奖得主卡罗·鲁比亚认为更合理的做法是“先建造一台μ子对撞机，弄清希格斯粒子的相关问题”。
                               
                               


今年 7 月，卡罗·鲁比亚在德国林道第 69 届诺贝尔奖获得者大会上发言。图片来源：Lindau Press

来源 Quanta Magazine
撰文 Thomas Lewton
翻译 王尚洁
审校 戚译引

整个物质世界建立在已知的 17 种基本粒子上，而卡罗·鲁比亚（Carlo Rubbia）率领的团队发现了 17 种粒子中的两种。由于对 1983 年发现 W 和 Z 玻色子的实验作出了“决定性贡献”，鲁比亚和西蒙·范德梅尔（Simon van der Meer）共同获得了次年的诺贝尔物理学奖。W 和 Z 玻色子传递四种基本力中的弱相互作用（即引发放射性衰变的相互作用）。

鲁比亚的实验在在地下一区（UA1）进行，这个大胆和野心勃勃的项目隶属位于日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN），目标是在高能粒子碰撞产生的混乱中寻找 W 和 Z 玻色子的痕迹。数百亿的质子和反质子被加速到接近光速，然后发生碰撞。反质子和物质相遇时常常迅速发生湮灭，因此研究人员此前从未成功制造大量的反质子。鲁比亚的一些同事支持更改对撞机和探测器的设计，他们确信反物质极不稳定，无法通过这种方式控制。

“当时我们有无数个不同的想法。当时有很多（项目）互相竞争，但是你没有办法同时做两件事情，”鲁比亚说。最后 UA1 获胜并继续进行。

三十多年后，粒子物理学家再一次发现自己处于一个十字路口。他们需要决定接下来建造哪个大型粒子对撞机——如果确实要建一个的话。尽管 CERN 的大型强子对撞机（LHC）运行良好，但是它的碰撞实验无法产生 17 种粒子以外的新粒子。这些已知粒子的性质和相互作用都可以用粒子物理的标准模型描述。标准模型可以及其精确地预测它们的行为，但是学界仍然认为它对世界的描述还不够完整。它无法描述万有引力或者暗物质（天文学家认为这类神秘的物质的含量是普通物质的 5 倍），也无法解释宇宙中物质和反物质比例的失衡。此外，标准模型无法解释它本身的基本事实，例如为什么夸克和轻子有三个族、什么决定了粒子的质量，这也让许多理论物理学家感到担忧。

如今，85 岁的鲁比亚仍然处在这个领域的前沿，他并没有因为 LHC 数据无法带来“新的物理学”而气馁。他呼吁同行们努力寻找更好的数据，并相信答案将会到来。标准模型拼图中的第 17 块——希格斯玻色子于 2012 年在 LHC 被发现，如今鲁比亚希望可以在最先进的“希格斯工厂”中深入探索它的特征。

实现这一设想最好的方法仍有争议。在互相竞争的设计方案中，有周长为 100 千米的圆形正负电子对撞机，也有等离子体尾波场加速器（plasma wakefield accelerator），它在实验台上就能完成，让电子在快速加速的等离子体波上“冲浪”。对于鲁比亚来说，选择是明确的——他认为，一台创新的 μ 子对撞机可以在干净的条件下产生成千上万的希格斯玻色子，而所需的时间和成本只是其他实验的一小部分。

μ 子和电子一样简单，但要比电子重得多，因此能够发生高能碰撞。反对者说这样的设备仍然远超过我们现有的技术水平，但尽管它的技术难度可能不亚于登月计划，一台介子对撞机也有可能发现标准模型之外的新粒子的相关证据。

鲁比亚漫长的职业生涯大部分在 CERN 度过，期间担任了 5 年的总干事，任期从 1989 年开始。他还在他的家乡意大利的格兰萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory）担任领导职务，该实验室正在寻找质子衰变的迹象。（如果这个现象被发现，这项发现将提供关于标准模型之外的物理学的相关线索。）作为一名工程师和不知疲倦的发明家，鲁比亚在过去的 30 年里还一直致力于寻找全新的能源——例如由粒子加速器驱动的核反应堆。

上个月，Quanta 在德国举行的第 69 届林道诺贝尔奖得主大会上与鲁比亚取得联系。在那里，他向来自世界各地的数百名年轻科学家发表讲话，主张将 μ 子对撞机作为了解宇宙基本构建模块的最佳选择。他衣着考究，有着敏锐的蓝色眼睛，无论是在讲台上还是在讲台下都充满热情。为了清楚表述，访谈已经过压缩和编辑。


鲁比亚（左）在林道会议上。图片来源：Thomas Lewton for Quanta Magazine

Q：您发现了 W 和 Z 玻色子，为什么这项发现很重要？

A：哈！我从来没听过这样的问题！粒子加速器是科学项目的重要组成部分，而科学从根本上来讲就是好奇心驱动的。W 和 Z 玻色子的发现为粒子物理学中一段漫长的历史划下了句点。粒子中有的构成物质，如夸克和轻子，当时这方面的理论都已经通过实验得到了合理的证明；但是力的问题 ，即在物质粒子之间传递相互作用的媒介粒子，是尚未被理解的东西。

当时，许多人围绕 W 和 Z 玻色子提出假设、进行讨论，但实验实现需要非常高的能量，至少在当时是这样。但不要忘记这些基本选择都是来自于大自然，而不是来自个人。理论物理学家可以做他们喜欢的事，但最终决定权在于自然。

Q：那么你是如何获得这么高的能量的？

A：我们首先必须学习如何建造一台对撞机，而不是单一的加速器。因此，我们对 CERN 当时的环形加速器进行了改进，以便注入粒子和反粒子。

如何获得大量反质子是一个棘手的问题，因为在当时，伯克利（的实验室）几年前刚刚发现反质子，而且他们只制造了少量的粒子。在这里，我们需要每天制造上千亿的粒子。不仅如此，我们还需要对它们进行大幅度冷却，样它们才能适应圆形加速器的轨道。为此我要感谢莱昂·范霍夫（Léon Van Hove）、约翰·亚当（John Adam）等人给我的巨大帮助和支持，没有他们我将不可能完成这项实验。

几年后，我们最终进入了 W 和 Z 玻色子的能量区间，它们确实存在！然而质子-反质子碰撞是非常复杂的，同时会发生很多其他相互作用，所以我们进一步改进了试验。我们将 CERN 设施从质子-反质子对撞机改造成正负电子对撞机，建造了一个新的环形轨道，那就是长 27 千米的大型电子-正电子对撞机实验。这台设备产生了数以万计的 W 和 Z 玻色子，都很完美，没有杂质。这项工作使 W 和 Z 玻色子的研究告一段落，并带来了更多的诺奖级发现。当然，我们还有个缺失的部分，即希格斯玻色子。

Q：但我们不是已经发现希格斯玻色子了吗？

A：是的，但那是 6 年前的事情了。现在的问题是：如何获得大量纯净的希格斯玻色子？这项工作需要创新。

在我们所知的大自然的基本力当中，希格斯粒子是第一个也是唯一一个标量粒子，也就是说它只有大小而没有方向。每一个粒子都有不同的特点，因此必须对它进行单独的研究分析。与其他力不同，希格斯场没有优先的方向，它通过镜面反射得到的像和它本身看起来是一样的。理解希格斯玻色子同理解 W 和 Z 玻色子一样重要，那将对标准模型中关于基本粒子的研究作出阶段性总结。

Q：并不是每个人都认同应该把时间和资源集中在“希格斯工厂”上；他们说，应该优先将能量推到更高的层级，寻找新的粒子。

A：你可以建造一台大小相当于大型强子对撞机三倍的环形对撞机来进行电子和正电子对撞；你可以升级 LHC，甚至建造下一代直线加速器。向更高能级探索有望带来新的物理学理论——它可能是超对称理论，也可能是其他的什么东西，我不知道是什么。但在探索更高的能量之前，我认为合理的做法是先建造一台 μ 子对撞机，弄清希格斯粒子的相关问题。我们已经有了一种想要探索的粒子。通过非常深入地研究希格斯粒子，我们甚至有可能发现新的物理学理论的迹象。我们不需要建一条 100 公里的隧道，也有可能实现这点。想想走 100 公里要多少天！而且（这个加速器的）一切都必须非常实用，每一个部件都必须发挥作用——如果人们成功地使它发挥作用，那真是一个奇迹。

请记住，在 20 世纪 50 年代，恩里科·费米（Enrico Fermi）曾说过，到 2000 年，加速环将具有地球的周长。这当然是一个荒谬的说法，但它说对了一点：我们真要把资源直接用于建造巨大无比的设备吗？这或许能够实现，但将花费 20 到 30 年的时间。我们用了 20 年的时间，花了 100 亿欧元，才发现希格斯粒子。所以如果你想走得更远，成本会更高，（实验）也会更复杂。

毫无疑问这里有一个解决方案：制造 μ 子对。μ 子实验只需要一个很小的环形轨道，相当于 LHC 的百分之一。它可以在现有的加速器中完成：CERN 和欧洲散裂中子源（European Spallation Source）都能产生足够的质子，来制造足够数量的μ子。

Q：您说得可真简单！但制造一束狭窄的 μ 子束，也就是说去“冷却”它们，以便适用于现有的粒子对撞机，这难道不仍然非常困难吗？

A：是的，这是巨大的挑战，但在我看来，这里面没有什么潜在的重大风险。我们提出了一个初始冷却实验（initial cooling experiment），它是在一个非常小的规模上完成的，我们可以通过这个实验建立所有的基本思路。它需要对 μ 子的冷却行为进行大量的测试和验证，但这可以在几年内完成。

然后，将实验迁移到大型仪器的过程是可以用传统技术完成的。我们可以在合理的、比较短的时间内以相对较小的成本完成这项工作，当然这需要优秀人才的力量。工作量确实很大，但是做些新工作来改进现状有什么不对呢？

Q：除了预期中的希格斯玻色子之外，LHC 实验并没有发现新的粒子，这样看来下一个加速器发现新的物理学的可能性有多大?

A：实际上除了加速器之外，还有其他有趣的实验。例如在南极进行的中微子实验，它有望取代更大、更复杂的加速器系统。我认为两者之间的竞争是非常有好处的，在未来几年里，这种竞争将带来一些成果。

我有些担心 CERN 的粒子物理学的未来，关于 LHC 项目结束之后的安排，迄今为止没有任何新的备选方案。当我负责 CERN 的活动时，我们总是手上有一台机器，计划中还有下一台机器。我们需要有更多的勇气，共同商定替代方案。

Q：您在法西斯主义统治下长大，也经历过二战，这对您的生活有何影响?

A：你不知道当时的欧洲是什么样子。我记得当我 4 岁时，我有一台父亲制造的收音机——当时的收音机是天线等零件组成的一个非常复杂的系统。我们在收音机里听到希特勒在大喊大叫。然后战争爆发了，8800 万人在几年中丧生。我们都暴露在这种可怕的情况下，这股强大的力量令我们完全回到零点，然后我们不得不重建一切。

Q：然而您在工作中似乎还是保持着乐观的态度。

A：噢是的，我很乐观。你不能不乐观。在经历了如此复杂的历史兴衰之后，乐观才是最重要的，并且欧洲自那时起取得了巨大的进步。欧洲通过科学发生了融合，这一现象是非凡的。欧洲从相互憎恨、争斗不休的一个个国家，成长为一个内部完全达成共识的整体，这是一个非常重要的成就。


1984 年，卡罗·鲁比亚在 CERN 的实验室。他因为领导了 W 和 Z 玻色子发现实验获得了那一年的诺贝尔物理学奖。图片来源：Keystone Press / Alamy Stock Photo

Q：在  1960 年来到欧洲核子研究中心之前，您在美国做了几年研究。是什么吸引您回到欧洲的?

A：我想在 CERN 工作，因为我还没准备好完全放弃自己的欧洲人身份，成为美国公民。我的许多欧洲同事移民到美国后，被接受成为了合法公民。但我喜欢用自己的方式去做事，所以我想回来，因为我感觉欧洲是一个可以取得进步的地方。事实上，粒子物理学在过去十几年的进展主要都发生在欧洲。

Q：除了粒子物理学，您还积极参与可持续能源技术的研究。这是为什么呢?

A：在我的人生中，我目睹地球上的人口增加了 3.5 倍，但是主要能源消耗已经增长到 12 倍——而今天出生的孩子如果也要消耗我们 12 倍的能源，这是无法负担的。因此可持续能源是一个至关重要的问题，而我发现有新的方法可以帮我们解决这一问题，这令我感到非常兴奋。

Q：您会把钱用在什么创新的方法上？

A：我们有可再生能源和化石燃料，还有一点核能。除此之外，天然气储备也极其充足，我们有普通的天然气、页岩气、还有可燃冰（又称甲烷水合物）。你可能不知道这种化合物，它存在于深海中，由水与天然气结合而成，含量是普通天然气的十倍。所以我们有足够的天然气，足以使用几千年。

当然，天然气产生的二氧化碳是当今我们最担心的问题。那么如何在不排放二氧化碳的情况下继续生产这些产品呢？我们已经开发出一些减少二氧化碳排放的手段，就是让甲烷生成炭黑和氢气。原则上这个分解过程发生 2000 摄氏度的高温下，这是不实用的；但通过我们的新方法，可以让这个反应在 1000 摄氏度下进行。

Q：您似乎一直推崇技术的飞跃。

A：实验物理建立在好奇心驱使的观测活动之上。你永远不该重复其他人的工作。你必须做一些独特的事情，因为它允许你自己犯下错误，然后去修正错误，反复改变自己的想法，以最终找到答案。这就是我在这个领域所采取的务实的方式。

Q：在林道，您对数百名年轻的科学家介绍了您的工作和对未来的设想。您希望向他们传递什么信息？

A：不用我提建议，年轻的科学家们已经有足够的事情要忙了！我们有权利决定自己的未来，他们也有权利掌握他们的未来。我可以倾听他们的想法，但我不该告诉他们该如何去做。

Q：考虑到目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，您仍然保持乐观吗?

A：我现在和过去一样乐观。讨论是复杂的，选择是困难的，但是在我一生中，我总能看到积极的结果。所以我相信这一次也会有好的解决办法。