世界需要对撞机 

文/小 庄

稀里糊涂，做一回“对撞机之父”

1927年，年方25岁的奥斯陆人罗尔夫·维德罗（1902~1996）正在德国亚琛工业大学攻读电气工程专业的博士学位。这个有着良好工科感觉的年轻人当时正面临一个困境，他没有造出自己理论中预言的电子感应加速器，以至于论文无法通过，毕业都成了问题。恰在这时，瑞典科学家古斯塔夫·伊辛利用漂移管上加高频电压来加速粒子的理论救了他。在伊辛的基础上，维德罗造出了世界上第一台直线加速器，递交了一份合格的毕业答卷。

维德罗的工作是在一项核物理研究进入关键阶段的大背景下完成的，因此意义非凡。1919年，英国科学家厄内斯特·卢瑟福用天然放射源中的高速α粒子束作为“炮弹”轰击金属箔，实现了人类科学史上第一次人工核反应，发现了质子的存在，从此之后，人们寻求更高能量粒子来作为“炮弹”、以求搞清原子内部复杂结构的决心一发不可收拾。

但在1928年之前，实验室中用于加速粒子的主要设备是变压器和整流器、冲击产生器、静电产生器、特斯拉线圈等，全都是高电压环境，对绝缘的要求特别苛刻。受绝缘材料所限，粒子产生的速度也非常有限，直到美国加州大学伯克利分校的物理副教授厄内斯特·劳伦斯读到维德罗的文章那一刻，这个问题才迎刃而解。劳氏后因发明能够大大提升粒子速度的回旋加速器而获得1939年诺贝尔物理奖，不过因为二战的缘故，这个奖一直推迟到1951年才颁发。在受奖演说中，他非常诚实地谈到了维德罗对自己的启发：

1929年初的一个晚上，我在大学图书馆浏览期刊时，无意中发现一本德文电气工程杂志上有篇维德罗的论文……他处理这个问题的一般方法，即在连成一条线的圆柱形电极上加一适当的无线电频率振荡电压，以使正离子得到多次加速。这一新思想……解答了我一直在寻找的加速正离子的技术问题。我没有更进一步阅读这篇文章，就停下来估算把质子加速到一百万电子伏的直线加速器一般特性该是怎样。简单计算表明，加速器的管路要好几米长，这样的长度在当时作为实验室之用过于庞大了。于是我就问自己：不用直线上那许多圆柱形电极，可不可以靠适当的磁场装置，只用两个电极，让正离子一次一次地来往于电极之间？再稍加分析，证明均匀磁场恰好有合适的特性，在磁场中转圈的离子，其角速度与能量无关。这样它们就可以以某一频率与一振荡电场共振，在适当的空心电极之间来回转圈。这个频率后来叫做“回旋频率”。

维德罗在1943年申请了一项“对撞存储环”专利，1945年又提交了一个完整的“同步加速器原理”专利，这个生前基本上默默无闻、本分地教书做实验的物理学家和发明家在身后被人誉为“对撞机之父”。他也许不会想到，自己当年已经伸手拉开了一场轰轰烈烈的粒子对撞大戏之序幕，只可惜，同时代的人们没有注意到他这个动作。

费米的梦想太烧钱，怎样才能少烧一点？

对撞，指的是让高速的带电粒子迎头碰上，对当代物理而言，这是一种重要的探索手段。不过，早期的物理学家包括劳伦斯在内都未曾意识到“对撞”概念的高妙所在，他们在很长一段时间内延续了卢瑟福的做法——用高速粒子去轰击一块静止的“靶”，然后研究所产生次级粒子的动量、方向、电荷、数量等。自卢瑟福轰开氮核以来，世界诞生了一门新学科：原子物理。它的出现是为了向人们揭示宇宙间所有物质与能量的基本要素，从事这个行当的研究者都深深地执着于用某种方式把原子打碎再打碎，以求向微观再微观挺进。要达到这个目的，就非得借助高能量的加速器不可。加速器所提供的能够有效打碎粒子的能量被称为质心系能量。

劳伦斯的机器虽然能够提供超过天然放射源的能量水平（20兆电子伏），但还远远不够。经过科学家们的不断努力，到1960年，美国布鲁克海文国家实验室的强聚焦质子同步加速器已提高到了330亿电子伏。但是，这距人们揭开微观世界更真实一面所需的能量依然相差甚远。比如说，著名的意大利物理学家恩里科·费米（1901~1954）在去世那年提出了一个质心系能量为3万亿电子伏的加速器的梦想，根据计算，倘若采用束流与静止靶中的质子相互作用的方式，这台同步加速器的偏转半径约为8000公里，比地球半径还大，当时估算造价约为1700亿美元，需要40年才能建成。显然，造这么个东西一定会被地球人民的唾沫淹死。

终于，1960年，奥地利人布鲁诺·陶歇克（1921~1978）把对撞原理搬到了台面上，苦思冥想中的实验物理学家们犹如醍醐灌顶——很显然，用一辆开着的车去撞一辆静止的车，怎么比得上让两辆对开的车迎头相碰来得过瘾呢？

1962年，意大利Frascati国家实验室建成了直径约1米的AdA对撞机。

现代高能加速器基本都以对撞机的形式出现，对撞机把产生高能反应的等效能量从10亿电子伏又提高了3个数量级，终于达到了费米想要的级别。自世界上建造第一台加速器以来，七十多年之中，加速器所能提供的能量大致提高了9个数量级，同时，每单位能量的造价降低了约4个数量级，如此发展速度在所有科学领域内都十分罕见。随着加速器能量的不断提高，人类对微观物质世界的认识也逐步深入，世界各国迄今已经建造了27个大型对撞机，粒子物理研究在20世纪50至80年代经历了一个黄金时期。几乎每隔一段时间，就会有人从实验室中冲出来大呼：我们发现了XX子啦！

LHC能干啥？以及，LHC想干啥？

毫无疑问，过去的一年多时间里，欧洲核子中心（CERN）在法瑞边境建造的大型强子对撞机（LHC）成为了整个世界瞩目的焦点，不仅科研界，甚至媒体界和娱乐界也对其青眼有加，难怪乎公众也被撩拨得频频去关注它的最新消息。

这个面积为四个梵蒂冈的大家伙被寄望能加速出达到光速99.9999991%的质子束流，在圆环管道内的四处对撞观测点上每秒发生大于6亿次的粒子对撞，单个质子携带的能量为7万亿电子伏特。它的两个大型探测器和两个中型探测器被赋予了同中有异的任务：紧凑型μ子螺旋磁场探测器简称CMS，用于寻找希格斯玻色子（这种粒子能够解释为什么宇宙中的所有物质都有质量，是粒子标准模型中迄今唯一没有找到的一种）、额外维度以及暗物质粒子；环型LHC实验探测器简称ALICE，借助它有望观察到类似于大爆炸后宇宙初期的形态；超环面仪器简称ATLAS，实验目的与CMS一样，但两者磁铁系统采用了完全不同的技术和设计；LHC底夸克探测器简称LHCb，目标是探索物质和反物质之间微小差别，主要研究CP破坏，探测高能区的新物理现象，将有助于我们理解为何自己生活在一个几乎完全由物质而非反物质构成的宇宙。

这台机器自2008年9月宣布落成以来，经历非常坎坷，一直在大修大补中度过。最近的一个消息倒是好消息：2009年11月20日日内瓦当地时间晚上10时左右，LHC在前次注入粒子束后时隔14个月再次注入了粒子束。23日下午，两束质子束流首次被引入ATLAS和CMS两个大型探测器，14时22分，ATLAS实验探测器记录下质子可能发生碰撞的第一次机会，然后ATLAS对粒子流进行了调谐以帮助粒子流产生碰撞。接着，CMS实验探测器再次对两束粒子流进行了优化。当日傍晚，另外两个中型实验装置ALICE实验探测器和LHCb实验探测器又分别对粒子流进行了再次优化。29日，一对质子束加速到1.18 万亿电子伏，12月9日，CERN宣布LHC首次探测到了2.36 万亿电子伏对撞事件，从而成为世界上最高能量的粒子对撞器。

从LHC身上，我们大致可以看出物理学家眼下正致力于找到如下问题的答案：物质是如何获得质量的？宇宙不可见的那96%是什么东西？为什么自然界中物质的总量远远超过反物质？宇宙诞生以来物质是如何演化的？

事实上，帮助他们解决这些疑问的除了LHC，其他对撞机所起的作用也不容忽视。

对手也是帮手，梦想也有可能是幻想

先从Tevatron谈起吧。

Tevatron是LHC之前的世界最高能量对撞机，1979年，费米实验室的物理学家们为了找到顶夸克而建造了这台机器：在一个长达6.3公里的地下环中将质子与反质子加速，并使它们发生对撞。夸克是构成质子、中子等亚原子粒子的基本单元，其中顶夸克和底夸克是质量最大的，底夸克由费米实验室利用原有的环状加速器在1977年发现；而要想找到顶夸克，则必须把质子和反质子的能量提高5亿~15亿电子伏。

1995年，Tevatron不负众望捕获到了顶夸克的踪迹，这成为其运转历程中辉煌的一笔，但之后的进一步拓展却遭到质疑，特别是在更高能量的LHC开始筹建之后，能不能先于LHC找到希格斯玻色子几乎成了它唯一的目标所系。2001年，美国政府曾花费数亿美金对Tevatron进行了升级，2009年又宣布让它运行到2011年，这一切都表明美国人不甘被欧洲人甩下的决心，而且他们也不断爆出“叫板”言行：

2007年初，费米实验室宣布了一项针对亚原子粒子——W玻色子的质量测量，新数据与之前估计相符，但是更趋向于该范围的上限。这项工作同时降低了人们对希格斯玻色子质量的预测值，由此，该粒子的能量上限从1660亿电子伏降到1530亿电子伏，这一结果让Tevatron科学家们重新相信自己仍有机会找到希格斯玻色子。

2009年6月，他们又放出消息称，Tevatron运行过程中出现了一群不知从何而来的“幽灵粒子”，即一些多余的μ子（电子的“亲属”，比电子重），可能性之一是它们来自一个更重的、尚未被发现的粒子的衰变，这种粒子或与占宇宙85%的暗物质有关。另一解释来自弦理论，弦理论认为宇宙是10维的，更高维度的“膜”表面居住着像弦一样的粒子，与3维空间的联系并不密切，因此在数据中会出现一些模糊信息。无论如何，这两种解释都含有新物理的意味，表明了“我们老则老矣，尚能饭”的姿态。

其实早在1993年，美国国会就曾停止过一项继续投建超导超级对撞机SSC的计划，这个流产的对撞机预期能量达到了40万亿电子伏，为LHC承诺的3倍以上，而在中止时它已经花去了20亿美元。直至今日，很多人提到这件事情还忍不住扼腕叹息。

另一台值得关注的对撞机是美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机RHIC，这台建成于1999年的机器是目前世界上唯一的一台重离子对撞机，它可以让各种离子（从质子到金离子）分别在两个独立超导储存环中积累、加速、储存，并在六个对撞点交叉对撞，旨在重现宇宙大爆炸后的早期现象，研究重离子对撞后产生的夸克-胶子等离子体等复杂的现象。在现有物质中，夸克被约束在质子和中子内，无法被独立观察到，模型预测夸克-胶子等离子体系宇宙大爆炸后仅存在几微秒的一种物质。RHIC从2000年6月起让金原子核以接近光速相撞，希望通过此种方式产生巨大能量和温度来“融解”质子和中子，使夸克以自由形态得以释放。2005年4月，在RHIC上开展实验的四个合作探测器组宣称，他们制造出了一种新的热密度物质态——不像预期的自由夸克和胶子的气体那样飞散，倒更像是一种“完美的”液体。这是不是早期宇宙的状态呢？ 

LHC让Tevatron的日子变得不怎么好过，而另一个正在筹建协商中的对撞机也让LHC非常有紧迫感，那就是ILC。

LHC研究的是质子对撞，因为质子是由夸克组成的，所以注定了这种对撞不“干净”，无法确定对撞时每个夸克各携带了多少能量，难以确定对撞所产生新粒子的性质，因此即便LHC找到了希格斯玻色子，也只能通过更精密的机器去确定它的重要属性。对于科学家来说，这些宝贵信息值得付出高额代价去换取。价码？他们开出了67亿美元。这是建造一台让正负电子在其中对撞的直线对撞机的最低起价。为什么选用电子呢？因为电子本身就是不可再分的基本粒子，其对撞时携带的能量可以精确测定。

世界上第一台直线对撞机是美国斯坦福直线加速器中心的SLC（能量不是很高），在此之后，多个直线对撞机方案被设计出来，形成了低温超导和常温常规两种加速结构之争，2004年在北京举行的第27届国际高能物理大会上，低温超导方确定无疑地胜出。据称，国际直线对撞机ILC将建造在总长约40公里的地下隧道中，由两台大型超导直线加速器分别将正负电子加速到2500亿电子伏的能量，对撞时质心系能量达到5000亿电子伏，以后还将扩展到1万亿电子伏。

就ILC而言，构成最大悬念的问题在于：建在哪里？看起来这庞大而昂贵的家伙还是很抢手的，不仅CERN、费米实验室和日本高能加速器研究机构KEK均表现出极大的兴趣，俄罗斯和英国跃跃欲试，甚至一些中国科学家也提议说让咱们来吧，不过，这很可能只是一个美丽的幻想而已。

【责任编辑：杨枫】