高能粒子加速器的惊人新发现

哪怕历尽千难万险，我一定会找到你。

金发女郎乐队（Blondie）

他的猎物迟早会出现

在梦中，艾克再一次遇到了那个量子侦探。这次，侦探非常清楚地知道自己要找什么，而且非常清楚地知道它在哪里，他所要做的就是等待，如果判断正确，他的猎物迟早会出现。

找到重粒子并非易事，但要揭示标准模型的基本结构并最终解释宇宙的物理构成，那么我们必须这么做！我们对粒子物理学的了解，大部分来自高能粒子加速器实验，它们首先将快速运动的粒子束加速，然后使它们与其他物质相碰撞。

在高能粒子对撞机里，被加速的粒子束与被加速的反粒子束相撞，在它们相撞的极小区域内会产生大量能量，这些能量接着被转化成在自然界里难以被找到的重粒子。宇宙大爆炸时，宇宙温度极高，所有粒子大部分都存在。但自那以后，唯一能找到已知最重粒子的地方，就只有在高能粒子对撞机里了。从理论上讲，只要有足够的能量，即由爱因斯坦E=mc2所给定的能量，对撞机就能够生成所有的粒子与反粒子对。

但是，高能物理的目的不仅仅是寻找新的粒子。高能粒子对撞机实验会告诉我们以其他任何方式观察不到的自然的基本定律——这些定律作用的领域太过微观，以至于我们根本不能直接看见。高能实验是探索发生在微小距离尺度的相互作用的唯一方式。

本章讲的两个对撞机实验，对证实标准模型的预言以及限定物理理论的有效范围都非常重要。这两个实验本身都令人难忘，但它们还使我们体会到：物理学家将来探索新现象（如额外维度）时，会面临什么样的困难。

顶夸克，众里寻他千百度

顶夸克

虽然顶夸克不是已经知物质原子的组成部分，但没有它，标准模型就不完善，因此，自20世纪70年代开始，物理学家就坚信它的存在。可是直到1995年，人们才探测到它。顶夸克显然很重——远远重于其他所有已探测到的夸克。经过20年的追寻，人们终于追踪到了它的踪迹，这才发现它的质量几乎是质子质量的200倍。

顶夸克的探寻过程，充分展现了在对撞机里寻找粒子的困难。那时，对撞机的能量还不足以制造它，而实验者发挥了聪明才智，千方百计地应对了这一挑战。虽然顶夸克不是已知物质原子的组成部分，但没有它，标准模型就不完善，因此，自20世纪70年代开始，物理学家就坚信它的存在。可是直到1995年，人们才探测到它。

那时，对于顶夸克，物理学家已徒然地寻找了多年。标准模型里第二重的粒子——底夸克，已在1977年被发现，它的质量是质子的5倍。虽然当时物理学家都以为顶夸克马上就要现身了，而且实验者们也争先恐后地要找到它，并宣布这一盛事，但令人惊讶的是，一次次的实验却均告以失败，人们以40倍、60倍甚至是100倍于产生质子所需要的能量进行对撞实验，还是未能找到它。这说明，顶夸克显然很重——远远重于其他所有已探测到的夸克。经过20年的追寻，人们终于追踪到了它的踪迹，这才发现它的质量几乎是质子质量的200倍。

因为顶夸克如此之重，狭义相对论隐含的关系告诉我们，只有在极度高能的对撞机里才能生成它。高能量总是需要一个大型的加速器，这在技术上难以实现，而且耗资巨大。

最终生成顶夸克的对撞机是费米实验室的Tevatron，它位于伊利诺伊州离芝加哥将近50公里外的巴达维亚草原。这一对撞机最初设计的能量，距离生成一个顶夸克所需的能量还差得很远，但工程师和物理学家们进行了多次改进，大大地提高了它的性能。Tevatron凝聚了多次改进的成果，1995年，它的运行能量大大增加，并进行了多次对撞，这是最初的机器根本无法做到的。

Tevatron现在仍然在运行，坐落于费米实验室。该实验室是一个加速器实验中心，为纪念物理学家恩里科·费米而得名，于1972年投入使用。

我第一次到费米实验室时感到非常有趣，在那里有野生的玉米、鹅，更奇特的是，甚至还有野牛，但除此之外，这里便再无奇趣可言，甚至可以说是呆板、枯燥的。电影《反斗智多星》（Wayne’s World）就在费米实验室南9公里的奥罗拉取景，如果你熟悉这部电影，就知道费米实验室的周边环境了。好在物理学家善于鼓舞人心，总会让你高兴起来。

Tevatron的得名是因为它加速的质子和反质子能量都要达到1 TeV（太电子伏），等于1 000 Gev（吉电子伏），这是迄今为止所有加速器所能达到的最高能量。Tevatron产生的高能质子和反质子束在环形机里循环，每隔3.5微秒在两个对撞点发生对撞。

粒子束和反粒子束路径交叉的地方会发生有趣的物理过程。因此，在两个对撞点上有两个独立的实验团队，并分别安装了探测仪，其中一个叫CDF（费米实验室对撞机探测仪），另一个叫Do（这是放置探测仪的质子与反质子对撞点的名称）。这两个实验旨在广泛地搜寻新的粒子和物理过程，但在20世纪90年代早期，物理学家梦寐以求的就是找到顶夸克——两个实验团队都想最先发现它。

多数重粒子是不稳定的，很快就会发生衰变。衰变发生时，实验要寻找的就是粒子衰变的产物，而不是粒子本身。例如，顶夸克会衰变成一个底夸克和一个W子（传递弱力的带电规范玻色子）；而W子也会衰变成轻子或夸克。因此，寻找顶夸克的实验要找的就是底夸克协同其他夸克或轻子的组合。

然而，粒子出现的时候可不会挂着姓名标签，因此，探测仪只能通过它们的特别属性来辨认，如它们的电荷或参与的相互作用，而且，这些属性分别需要探测仪里不同的部分来记录。分置于CDF和Do的两个探测仪也都分成了几个部分，每一部分记录不同的特征。

有一部分叫作追踪仪，它探测的是从原子里电离的电子在其轨迹里所留下的带电粒子；另一部分叫热量计，可以用于测量粒子通过时所释放的能量；探测仪里还有其他一些组成部分，分别用来辨识有着其他特别属性的粒子，如底夸克，它在衰变之前的寿命比其他大多数粒子都长。

探测仪一经捕捉到信号，就会通过大量电线和放大器来传输这一信号，并记录结果。但是，并非所有的探测结果都值得记录，当质子和反质子相撞时，很少会生成有趣的粒子，如顶夸克或底夸克；更多时候，碰撞只能产生轻夸克和胶子，甚至还有些时候根本不会产生任何有价值的东西。事实上，在费米实验室里，为产生一个顶夸克所进行的对撞，有千百亿次，但它们根本不含顶夸克。

面对如此大量的无用数据，没有一个计算机系统足够强大，以至于能够找到有意义的对撞。因此，实验总会包含一些感应器，这种装置包含一些软、硬件设施，只允许记录一些可能有价值的结果，其作用就像是夜总会雇用的保安，专门驱逐那些捣乱的人。在CDF和Do两个实验站里的感应器，将实验所需筛选的对撞数量缩减到了万里挑一——这仍是一项巨大的挑战，但相比从上百亿次里选择已经容易多了。

一旦信息被记录下来，物理学家就会尽力去解读，并重建任何有意义的对撞里会出现的粒子。因为总是会有很多次对撞、产生很多的粒子，而信息却是有限的，所以重建一次对撞的结果是一项艰巨的任务，它也拓展了人们的聪明才智。或许在未来的几年里，数据分析就会有更进一步的发展。

在1994年之前，CDF的几个工作小组都发现，有几次对撞很像顶夸克（见图8-1），但他们并不确信。尽管CDF小组不敢肯定那年他们已发现了顶夸克，但1995年Do和CDF两个实验站都确认了这个发现。我在Do里的朋友达伦·伍德（Darien Wood）向我描述了最后编委会里的紧张气氛——他们要在会上完成数据分析和报告实验结果的论文。会议进行了一整夜，他们累了时，就趴在桌子上小睡一会儿。然后，一切继续。

图8-1　由Do记录的一次顶夸克探测实验的结果。该实验探测顶夸克以及同时产生的反顶夸克的衰变产物。右上角的直线是一个μ子，它直达探测仪的外围；4个长方形的组块是4个“喷射流”；向右的直线是中微子消失的能量。

Do和CDF两个实验团队为顶夸克的发现共同作出了贡献：一个从未出现过的粒子终于被制造出来，这一新发现的粒子与其他已确定的粒子一起，加入到了标准模型的队列里。现在，我们已发现了许多顶夸克，因此已确切地了解了顶夸克的质量和其他属性。我们甚至担心，将来高能粒子对撞机会产生太多的顶夸克，以致顶夸克反倒会成为混淆和干扰其他粒子发现的东西。

新的理论肯定会被发现。很快我们将看到，为什么说标准模型的未解问题告诉我们，只要对撞机的能量比现在再高一点，就有可能出现新的粒子和物理过程。LHC实验就是要寻找超出标准模型的结构的证据。如果这些实验成功，回报将是丰厚的——它是对所有物质基本结构的更好的理解，要完成这一艰巨的任务，既需要高能的、多粒子的碰撞，也需要新观点。

标准模型的精确验证

现在，让我们从伊利诺伊平原转移到多山的瑞士——欧洲核子研究中心CERN的驻地。验证标准模型预言的实验很多，但最为壮观的还要数1989—2000年间在CERN的大型电子-正电子对撞机（LEP）里进行的实验。

CERN的中心驻地设在欧洲，其主入口离法国边境非常近，分隔两国的边防警卫亭就在大门外，许多居住在法国的CERN员工每天要穿越边境线两次。穿越边境时，他们很少遇到麻烦——除非他们的车不符合赫尔维蒂标准（Helvetic Standards），那样，瑞士就不允许进入了；再有一种危险的情况就是，科学家心思太过专注于工作而犯规。这是一个同事曾经历过的：过边境时，他还在想着黑洞的问题，警卫请他停车检查，而他长驱直入，根本没有停下。

更引人注目的是，CERN与费米实验室的周边环境大不相同。CERN位于欧洲最高峰勃朗峰脚下，毗邻美丽的汝拉山脉（Jura mountains），离霞慕尼山谷（Chamonix）很近。这是一个美丽的山谷，两边山上冰雪覆盖，一直能延伸到路上（虽然由于全球气候变暖，现在路上已少见冰雪）。尽管城里的冬天常常阴云密布，但在CERN，幸运的物理学家们在很多日子里都沐浴着阳光，皮肤黝黑地度过冬季，因为他们在附近的山上就能滑雪、溜冰或徒步旅行。

CERN创建于第二次世界大战之后，诞生于新兴的国际大合作的氛围中。最初的12个成员国包括：联邦德国、比利时、丹麦、法国、希腊、意大利、挪威、荷兰、英国、瑞典、瑞士和南斯拉夫（于1961年退出）。随后，奥地利、西班牙、葡萄牙、芬兰、波兰、匈牙利、捷克斯洛伐克共和国以及保加利亚也加入进来。参与CERN活动的观察员国包括印度、以色列、日本、俄罗斯联邦、土耳其和美国。CERN是一个真正的跨国团体。

与Tevatron一样，CERN也有着许多傲人的成就。1984年，卡罗·卢比亚（Carlo Rubbia）和西蒙·范德梅尔（Simon Von DerMeer）被授予诺贝尔物理学奖，因为他们设计了最初的CERN对撞机，并发现了弱力规范玻色子。这一成就，打破了美国在粒子发现上的垄断。CERN还是万维网WWW、HTML（超文本标记语言）和http（超文本传输协议）的诞生地，创造这些的英国人蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee）正是CERN的员工。他创建Web是为了让分散于各国的实验者能够通过链接立即得到信息，而且这样能使计算机共享数据。当然，网络的影响力已远远地超出了CERN——科学研究得到如此广泛的现实应用是人们不曾预见的。

几年后，CERN就会成为一条纽带，联结起一些最为振奋人心的物理成果。LHC就坐落于此，它现在的能量达到了Tevatron能量的7倍。由LHC所作出的发现必然是全新的、质的飞跃，LHC要寻找并且很有可能找到标准模型的未知的物理基础，它们或是证实、或是排除我在本书中所描述的这些模型。尽管LHC位于瑞士，但它是真正的国际大合作，所LHC实验正在世界各地进行着。

20世纪90年代，在CERN的物理学家和工程师们建造了令人难以置信的LEP（大型电子-正电子对撞机）。它是一个Z玻色子“工厂”，生产了上百万的Z玻色子——传递弱力的三种规范玻色子之一。通过研究上百万的Z玻色子，LEP的实验者（以及在SLAC——加利福尼亚的斯坦福线形加速器中心的人们）能对Z玻色子的属性作出详尽的测量，以空前的精确度验证标准模型的预言。具体描述这些测量会离题太远，但我会很快让你明白它们的精度是多么令人惊讶！

验证标准模型的基本假设非常简单，标准模型预言了弱规范玻色子的质量以及基本粒子的衰变和相互作用，我们可以通过检查所有这些量的相互关系是否符合理论的预言来验证弱相互作用理论是否内在一致。如果有新的理论，其中的新粒子和新的相互作用在弱力能标上有显著作用，那就会出现改变弱相互作用预言的新因素，使它们与标准模型的值有所不同。

因此，标准模型以外的模型所作出的有关Z玻色子属性的预言会稍不同于标准模型的预言。20世纪90年代早期，为使预言得到验证，所有人都在使用其他模型来预言Z玻色子的属性，但所使用的方法都烦琐得令人难以置信。这些方法让人很难领会，而概括它的文件页数多到我根本不愿携带。当时，我在加州大学伯克利分校做博士后，1992年夏天，在我参加费米实验室的一个暑期项目时，我突然间得出结论：不同的物理量之间的关系是不可能烦琐到需要这么长的篇幅来概括的。

我和当时在费米实验室的博士后米奇·戈登（Mitch Golden）一起创立了一种更为简洁的方法来阐释弱相互作用的实验结果。我们证实，只需在标准模型里添加3个能概括所有非标准模型的贡献量，就能系统地囊括新的（虽然尚未看见的）重粒子效应。我花了几周时间厘清它，终于在一个周末的紧张工作之后得到了一个答案。这一发现让我感到无比欣慰，Z-工厂让测量的所有过程都可以有机地联系起来，我和米奇都觉得我们描绘了一幅更加清晰的图像，将理论与测量联系了起来，效果是令人满意的。但作出发现的并不只有我们，SLAC的迈克尔·佩斯金（Michael Peskin）和他的博士后竹内（Takeuchi）几乎同时也做了类似的工作，随后，又有许多人也跟上了我们的脚步。

但真正的成功故事却是关于标准模型的LEP验证，这一验证精确得令人难以置信。我们不讲细节，只通过两件事来看看它们的精确是多么令人钦佩。

第一件事是有关发现正电子和电子对撞的确切能量，实验者需要知道这一能量来确定Z玻色子质量的确切值。他们必须将影响能量值的所有可能考虑在内，但即使把所有想到的可能都计算进来，他们仍注意到，当在某些特定时间进行测量时，能量似乎还是有轻微的涨落。究竟是什么引起了这一变化？结果是日内瓦湖的潮汐，这太不可思议了！湖的水位随着潮汐和那年的大雨有涨有落，这就影响到周围的地形，而电子和正电子在对撞机里穿行的距离就产生了细微的变化。一旦将潮汐作用也考虑在内，Z玻色子质量会随着时间变化的假象便被排除了。

第二件事是每隔一段时间，电子和正电子的位置似乎就会稍稍发生偏移，这表明对撞机里的磁场发生了变化。现场的一位工作人员发现，这一变化与TGV的通过密切相关。TGV是穿行于日内瓦和巴黎之间的高速列车。显然，一些与法国直流电相关的电力尖峰轻微地扰乱了加速器。一位在CERN工作的巴黎物理学家阿兰·布隆代尔（Alain Blondel）给我讲述了这一故事最有趣的部分：实验者们有绝好的机会来证实这一假设，因为TGV的许多员工都是法国人，难免会罢工。因此，罢工日时实验者们便享受到了一个“无尖峰日”。

●研究粒子物理学最重要的实验工具是高能粒子加速器，高能对撞机是使粒子碰撞到一起的粒子加速器。如果能量足够大，对撞机就能产生出因为质量太大而不能在我们周围存在的粒子。

●Tevatron是当今运行的最为高能的对撞机。

●位于瑞士的LHC，能量是Tevatron的7倍，可以检验粒子物理学的许多模型。