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来自：《环球科学》http://www.sciam.com.cn/html/tia ... 2009/0911/6187.html
据《连线》9月9日报道，如今，美国费米国家实验室(Fermilab)的Tevatron 加速器以及欧洲粒子物理研究中心(CERN)的大型强子对撞机（Large Hadron Collider）都在全力寻找希格斯玻色子(Higgs boson)。希格斯玻色子被认为是物质的质量之源，1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼将其称为“上帝粒子”。这种粒子是物理学家们从理论上假定存在的一种基本粒子，目前已成为整个粒子物理学界研究的焦点。发现希格斯玻色子或许有助于解释物质为什么拥有质量。理论物理学家已经预言这种粒子一定存在，但是目前并没得到证实。这个粒子是现代物理学的核心模型，它的存在与否，关系着现有的宇宙理论能否站得住脚，因而两家研究机构之间展开了激烈竞争，试图在证明该粒子的存在上取得先机。
欧洲粒子物理研究所甚至在20世纪80年代刚刚构思建立大型强子对撞机时，就把证实“上帝粒子”的存在作为它的奋斗目标，而美国费米国家实验室也不甘落后，试图后来居上。德州大学奥斯汀分校物理学家罗伊·舒维特(Roy Schwitters）就表示：“同欧洲粒子物理研究中心展开竞争是值得的，大型强子对撞机虽然有机会找到希格斯玻色子，但把握也不是很大。”
事实上，在粒子物理学领域，美国同欧洲一直有互相竞争的历史，这不仅关系到美国和欧洲的科学权威性，也关系到他们的国家荣誉。如果美国科学家成功发现希格斯玻色子，他们就会为其在近代科学领域所取得的主要成就上画上一个完美的句号。如果他们未能在欧洲科学家之前发现希格斯玻色子，就标志着美国科学家在把握机会方面又一次受到打击。
70年来，美国和欧洲在粒子物理领域一直交替领先。美国科学家拥有的Tevatron加速器尽管年代久远，但它能够产生1兆电子伏特（1 TeV）能量的质子束，仍然是目前全球输出能量最高的加速器，并且该加速器近期表现良好。不过，从目前情况来看，科学家们还未发现希格斯玻色子存在的迹象，这也许会为Tevatron加速器的运转带来更大压力。
欧洲大型强子对撞机早在2008年开始运转的时候，物理学家就估计，它会在2009年年底发现是否存在希格斯玻色子这一粒子。如果大型强子对撞机有所发现，这将会是其首次有重大发现。但在2008年7月及9月份，大型强子对撞机接连出现故障，使得科学家不得不把对撞机运转时间调整到11月份。此外，重新调整后，该对撞机运转速度也比之前预测的要慢，因此，要想达到事先预测的7兆电子伏特（7 TeV）的高能量，所需时间会更长。
欧洲大型强子对撞机的表现不济，使得美国Tevatron加速器有更多时间来发现希格斯玻色子。据估计，欧洲大型强子对撞机的故障可能使这项加速器试验被迫中止12个月的时间。而Tevatron加速器运转情况相比之下却表现更好，每秒粒子碰撞次数更多，加速情况也非常良好。虽然Tevatron加速器已是一部老旧加速器，但如果美国科学家不放弃，他们也有机会成功。
尽管Tevatron加速器年代久远，但它仍是对撞机领域的王者。目前，Tevatron加速器被置放于芝加哥郊区费米国家实验室一个周长4英里的地下隧道内。该实验室D-Zero探测器小组的物理学家德米特里·德尼索夫（Dmitri Denisov）对于Tevatron加速器最终能够发现希格斯玻色子充满信心。他表示：“目前，实验室里的工作人员都在想法确定希格斯玻色子的质量范围，尽管这项工程非常艰难，我们相信最终我们会成功。”
目前，费米国家实验室的另一个CDF探测器小组，也在同D-Zero探测器小组展开竞争。双方都试图发现新的粒子，并且确定这些粒子的特征。同时，这两组科学家也互相共享成功经验，相互确认对方的发现是否正确。这种工作方式使得科学家们有更高几率来发现希格斯玻色子。
基于目前Tevatron加速器以及其它加速器所做的工作，科学家推断希格斯玻色子的质量在114至185 GeV之间。今年3月份，费米国家实验室通过实验进一步压缩了希格斯玻色子的质量区间，称质量不会在160至170 GeV这段区间内。
德尼索夫表示：“如果希格斯玻色子的质量不是我们事先设想的那样，或者它的质量更大，哪怕有理论来预测希格斯玻色子的质量会比我们预测的更大，那么要想发现它可能要另辟蹊径了。但是，如果它的质量真的只是在200 GeV，或者是180、190GeV左右，我们就能够将其排除，或者成功发现希格斯玻色子。目前，我们就正在进行这项工作。”
即便最终是欧洲粒子物理研究中心先拔头筹，发现了希格斯玻色子，对于费米国家实验室的科学家们来说，他们也受益匪浅。德尼索夫认为：“即使未能抢得先机，至少科学家们找到了研究方法，为以后科学发现打下了基础。”
对于费米国家实验室的科学家来说，尽管他们认为Tevatron加速器会取得成功，不过如果失败了也在情理之中。但是，如果Tevatron加速器在最终离发现希格斯玻色子仅有一步之遥的时候失败了，这对这些科学家们来说才是最心痛的。
自从1930年加州大学的劳伦斯（E.O. Lawrence）建立第一个回旋加速器、高能粒子物理学刚刚诞生之时，美国和欧洲的科学家就开始展开竞争。劳伦斯制造的是一个回转装置，能够利用磁场将质子加速到8万电子伏特。随后，美国科学家开始建造更大、更复杂的回旋加速器，用于发现同位素，并且在这个过程中获得了一次诺贝尔奖。
劳伦斯制作出回旋加速器后，欧洲科学家们也开始建造自己的加速器。在分离原子核这一实验时，欧美科学家开始公开竞争。在那次实验中，双方实力接近，但是最终英国剑桥大学的Cavendish实验室在诺贝尔奖得主欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)的带领下，成功在美国科学家之前分离出原子核。
对撞机（Collider）作者、物理学家保罗·哈尔彭（Paul Halpern）表示：“劳伦斯最先提出回旋加速器能够被用于医学领域。这一想法太精妙了，因为随后他就获准研究回旋加速器在医学领域的运用，并且获得了大量资金用于建造设备。
1942年，美国军方提出曼哈顿计划(Manhattan Project)之后，劳伦斯也希望把粒子物理学运用到其中。此时，他研制的184英寸回旋加速器已经能够将各种粒子加速到1亿电子伏特，为分离铀的同位素提供了帮助。
不久后，美国科学家在高能物理学领域就超过了欧洲科学家。当时在该领域占主导地位的是大型回旋加速器。他们在50年代和60年代制造的加速器已经能够将粒子最高加速到10亿电子伏特。而美国劳伦斯伯克莱国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)高能质子同步稳向加速器（Bevatron）以及美国布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory）的Cosmotron加速器就是当时美国高能物理学的代表。
哈尔彭表示：“在布鲁克海文国家实验室，研究人员发现了聚焦光束的方法，从而能够加大光度，增加粒子碰撞的次数。这次发现是该领域的一次伟大革新。”
在此之后出现了碰撞器，它不像加速器那样，仅能够将粒子光束以固定角度发射，碰撞器能使对立光束的粒子相互之间发生碰撞。70年代，欧洲粒子物理研究中心以及美国的斯坦福线性加速器中心(Stanford Linear Accelerator Center)都制造出了小型碰撞器，其中，斯坦福线性加速器中心随后还探测到了介子和轻子。
但是，为了进一步提高粒子的能量，还需建造体积更大、功能更强的大型碰撞器。此时，费米国家实验室并未急着将Tevatron加速器改造成碰撞器，而是集中技术力量，将这座加速器能量提高至1兆电子伏特。在这个过程中，Tevatron加速器成功将粒子能量提升至300 BeV以上，而这正是当时欧洲科学家所建造的超级质子同步加速器SPS(Super Proton Synchrotron)设定的目标值。这一结果对欧洲高能粒子物理领域造成了不小的打击。但是随后，欧洲科学家又迎头赶上，超越了美国高能粒子物理学界。
1978年，布鲁克海文国家实验室开始建造ISABELLE，希望能够用其发现新的粒子，其中就包括W和Z波色子。但在1981年，欧洲科学家将超级质子同步加速器SPS改造成一座质子反质子碰撞器，并且在两年内发现了W和Z波色子。尽管用于容纳ISABELLE的4英里长隧道已经挖好，并且已经为此付出了2亿美元的资金，1983年，该工程还是被取消。
随后，美国科学家重新把研发重点放到Tevatron加速器上来，并且在1985年将其改造成了一座碰撞器。欧洲则紧跟着建造了长达17英里的正负电子对撞机LEP(Large Electron-Positron Collider)。但是，实际上，Tevatron加速器的主要竞争来自于实验室两个小组的科学家。
尽管Tevatron加速器性能已是十分强大，但是美国物理学家们受到ISABELLE失败的影响，一直在想法超越欧洲粒子物理研究中心。1983年开始，他们就计划建造一座耗资50亿美元、长达54英里的加速器，能够将粒子加速到20兆电子伏特。他们希望利用这一超级碰撞器来解答宇宙中所有悬而未决的问题。美国科学家把这座碰撞器称为超导超级对撞机(Superconducting Super Collider)。
超导超级对撞机的主管罗伊·舒维特表示：“这个对撞机是ISABELLE失败后，美国物理学家希望超过欧洲高能粒子领域的产物。”
1986年，物理学家对超导超级对撞机进行了设计，国会也拨款2亿美元用于制作平面图。但是，物理学家打算将其建造在费米国家实验室，因为这样的话，还能够利用该实验室的现成基础设施。同时，他们还打算，利用Tevatron加速器向超导超级对撞机输送粒子。但是后来，德克萨斯州承诺投入10亿美元，因此得以把这座对撞机建造在德州境内。
尽管在建造超导超级对撞机的时候遇到了许多技术难题，而且这一做法还在美国物理学界内部出现了很多分歧，但由于里根总统以及布什总统都支持建造超导超级对撞机的方案，这一建造进程得以继续。当时，物理学家希望该对撞机能在1999年投入使用。
但随后，超导超级对撞机的预算超过了100亿美元，这项工程也遭到了越来越多的批评。当时的美国总统比尔·克林顿向国会呼吁继续支持超导超级对撞机计划。他称：“在这个时候放弃超导超级对撞机建造工程无异于暗示美国可能放弃其在基础科学领域的领导地位。”
1993年,尽管已经花费了20亿美元，隧道也已经挖好了14公里，并且整个工程已经完成了四分之一，美国国会否决了超导超级对撞机(Superconducting Super Collider)计划。
今后，如果要设计建造下一代大型对撞机，很可能会是一项国际工程。国际物理学界已经开始初步计划建造国际直线对撞机(International Linear Collider,简称ILC)，但有可能这一工程会无法付诸实践。 |
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发表于 2009-9-13 07:52:09
发表于 2009-9-13 19:20:59
