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。
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。
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。
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。