美國最大粒子加速器即將關閉

自從1985年2月13日記錄下第一次碰撞以來，物理學家們在Tevatron上取得了許多重要成果。

　　9月30日，高能物理學家將關閉位于美國伊利諾伊州巴達維亞費米國家加速器實驗室的萬億電子伏特加速器（Tevatron）。作為這個國家最大的粒子加速器，Tevatron始建于1983年8月，在1/4世紀里，它君臨天下，是世界能量最強的原子對撞機。直到一年半前，歐洲大型強子對撞機（LHC）啟用，它才屈居第二。　

　　發現頂夸克　

　　從頂夸克的發現、W玻色子質量的精確測量到陶中微子的發現，物理學家在Tevatron上取得過許多重要成果。《科學》雜志的文章指出，2011年9月的最后一個星期，當物理學家們聚集在費米實驗室回顧Tevatron的傳奇歷史時，他們會說，它產生過許多杰出的成就，但沒有突破性的發現讓物理學家們能夠重新思考標準模型中的基本粒子和力。普林斯頓高等研究中心的理論物理學家保羅·蘭格克爾表示：“它是一個相當可靠的設施，它沒有產生出大的、意料之外的結果，它發揮了自己的作用。”

　　費米實驗室是美國最大的高能物理研究實驗室，根據美國總統林登·約翰遜1967年11月21日簽署的法案建立，由美國大學研究協會負責運行，受聯邦政府能源部管轄。創建實驗室的目的是探索自然界最微小的部分——存在于原子中的世界，了解宇宙是如何形成和運行的，提高人類對物質和能量基本屬性的認識。為了開展高能物理前沿和相關學科的研究，費米實驗室需要建造和運行大型科學設施——加速器，它最著名的加速器就是Tevatron。

　　1983年8月，Tevatron項目在芝加哥郊外的大草原上破土動工，當時計劃耗資1.2億美元建成世界上最強的粒子加速器——質子和反質子對撞機，6.28公里長的圓形加速器軌道由1000多個超導磁鐵構成，它們將質子和反質子按相反方向在真空管中加速到光速的99.99999954％，然后在兩個5000噸的探測器中對撞，這種接近光速的高能量碰撞產生了大量全新的亞原子粒子，然后很快衰變。科學家們通過分析這些碰撞“碎片”來探究物質的結構、空間和時間。

　　回顧28年的歷史，《科學》的文章指出，Tevatron最大的成就是碰撞出一個名為“頂夸克”的粒子。1995年3月3日，費米實驗室宣布發現頂夸克，這一發現成為世界各大媒體的頭條新聞，它是在兩個探測器上工作的物理學家的共同勝利，當時，在每個探測器上工作的物理學家大約有450多位。

　　頂夸克是物質組成的第6種基本粒子，它的發現在物理學上有重要意義。但也有科學家質疑頂夸克的發現是否配得上科學界的最高榮譽——諾貝爾獎。早在1973年，日本物理學家小林誠和益川敏英已經預言在上下夸克之處有第三種夸克的存在；1975年，以色列理論學家哈伊姆·哈拉里將這兩個假想粒子命名為頂、底夸克。密歇根大學的理論物理學家戈登·凱恩說：“每個人都知道頂夸克的事。”因為頂夸克的發現，小林誠和益川敏英獲得了2008年的諾貝爾物理學獎。

　　即使那些認為頂夸克的發現應該獲諾貝爾獎的科學家也表示，對這一發現授獎有困難，因為這是一個大型實驗合作項目，很難確定誰該獲獎。

　　理應更出色

　　在頂夸克之外，在Tevatron上的實驗還證實和充實了標準模型，比如它的探測器精確地測量了W玻色子的質量，這個參數限制了標準模型預言的最后一個尚未在實驗中被觀察到的基本粒子——希格斯玻色子的質量。希格斯玻色子被喻為上帝的粒子，它是物理學家解釋所有基本粒子質量的關鍵。

　　頂夸克被發現后，粒子物理學模型所預言的61個基本粒子中的60個均得到了實驗的支持與驗證，捕獲希格斯粒子成為費米實驗室的一個偉大夢想。在花了數億美元后，Tevatron的最后一次升級于2001年完成，經過艱苦的努力，物理學家們沒有在Tevatron上發現希格斯粒子，而歐洲大型強子對撞機的啟用使得Tevatron被迫關閉。

　　費米國家加速器實驗室第一任主任羅伯特·威爾遜為實驗室制定的原則是：杰出的科學、藝術的瑰麗、土地的守護神、經費上的精打細算和機會等。高能物理學家們認為，Tevatron本身就是一項開創性成就。它是世界上第一個使用超導磁鐵的加速器。在Tevatron的早期，歐洲粒子物理學實驗室CERN的物理學家林恩·埃文斯曾在那里工作，他后來指導了CERN的大型強子對撞機的建造，他說：“在Tevatron，我學會了如何建造超導設備。如果愿意，你可說Tevatron是大型強子對撞機的原型。”

　　也有科學家對Tevatron和費米實驗室提出批評意見。凱恩就認為，費米實驗室應該作出比發現頂夸克更大的成就：發現W玻色子和Z玻色子。物理學家們在20世紀60年代預言，像光子攜帶電磁力一樣，這些基本粒子能夠傳送弱核力。1983年，CERN的物理學家們在超級質子同步加速器上發現了W玻色子和Z玻色子，1年后，因這一發現，物理學家卡洛·魯比亞和西蒙·范德梅爾分享1984年的諾貝爾物理學獎。

　　然而，早在1976年，魯比亞和兩位同事就建議費米實驗室用Tevatron的前身尋找W玻色子和Z玻色子。實驗室的領導拒絕了這一建議，但埃文斯認為，當時的條件不足以實現這個目標，費米實驗室的官員正在推進Tevatron的建造，實驗室官員們的決定是正確的，“如果他們不決定建Tevatron，我并不認為頂夸克會被發現”。

　　《科學》的文章認為，盡管Tevatron只發現了它所尋找的東西，但它將作為一個非常好的科學設備留名歷史。