Tevatron粒子加速器

費米實驗室是美國最大的高能物理研究實驗室

Tevatron粒子加速器

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·詹森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——存在於原子中的世界，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。

建造

1983年8月，Tevatron項目在芝加哥郊外的大草原上破土動工，當時計畫耗資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%，然後在兩個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，然後很快衰變。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。

Tevatron粒子加速器

歷史

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於美國伊利諾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始建於1983年8月，在1/4世紀裡，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》雜誌的文章指出，2011年9月的最後一個星期，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，它產生過許多傑出的成就，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。”

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。密西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後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。

頂夸克被發現後，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。在花了數億美元後，Tevatron的最後一次升級於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：傑出的科學、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·埃文斯曾在那裡工作，他後來指導了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。如果願意，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年後，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，我並不認為頂夸克會被發現”。

希格斯玻色子的信號

美國“萬億伏特粒子加速器”(Tevatron)項目的科學家們近日暗示他們在數據中發現了多個疑似希格斯玻色子的信號，其質量數大致和歐洲大型強子對撞機(LHC)獲得的結果相同。這一發現增加了這樣一種說法的份量，那就是希格斯粒子可能存在於125吉電子伏特質量數四周。這種神秘粒子被認為賦予了所有其它粒子以質量。然而，這些新的數據自己仍然不足以從統計學角度上增加這項發現的可靠性。目前研究人員們已經將他們的結果在近日於義大利舉行的物理會議上公布。

“萬億伏特粒子加速器”(Tevatron)隸屬於美國費米國家實驗室，它在長達20年內一直占據著全球最強大粒子加速器的位置，可是在2011年卻因為延長其資金撥款的談判失敗而被迫停止運行。然而和所有其它粒子加速器一樣，Tevatron在其運行過程期間已經積累下海量的數據需要闡明。

最新的數據暗示希格斯粒子可能存在於115~135 GeV之間，置信度為2.2Σ。這一數值是質子質量的120~140倍，質子是原子核的基本組成部門，它存在於每一種原子的原子核內。在物理學上，這種置信度就意味著有1/36的幾率這種信號是一個誤報或者噪音，這一數字是遠遠低於5Σ這個被視作可宣布為“正式發現”的物理學黃金尺度的。

然而讓這一發現更加顯出其重要意義的一件事情在於，儘管兩者採取的體例截然有異，可是歐洲的大型強子對撞機同樣在其數據中找到一個峰值，而且這個峰值泛起的質量位置恰好和Tevatron的結果很是接近。

LHC的做法是將質子進行對撞，而Tevatron則使用質子和它們的反物質粒子，即反質子進行對撞。這兩項實驗的目的都是想通過觀察這些高能粒子在衰變後的情況來搜尋希格斯粒子的蹤跡。在Tevatron，這些數據是由底夸克和它的反物質夥伴——反底夸克對撞發生的，而在LHC，主要的探測目標則是對撞時發生的光子。

鮑勃.羅瑟(Rob Roser)說：“這是一台不合的加速器，不合的探測器，不合的衰變過程。”鮑勃是CDF探測器項目的講話人，這是安裝在Tevatron設備上的兩台主要探測器之一。他告訴BBC記者說：“它正在讓圖像變得清晰起來，讓事情變得更加有說服力。可是我們還沒有到達我們期望的那樣自信。”他說：“我只是希望我們兩家中至少有哪一家能有更多的數據，這真讓人沮喪。”而在LHC，兩台安裝在其中的主要探測器——CMS和Atlas同樣在周三舉行的會議上述說了他們的進展，可是相比去年他們述說的內容，今年這一次的述說中僅僅提供了些許更進一步的數據。

可是這一切的艱難困境在今年下半年將會被一網打盡，因為科學家們計畫今年將獲得相當於2011年全年3倍的數據量。然而，近期對Atlas數據進行的闡明結果已經排除122.5 GeV以上區間的可能性。Tevatron的數據則幫忙科學家們排除質量跨越147-179 GeV的情形，這一數據同樣和LHC的結果相當吻合。

正如先前所言的那樣，如果希格斯玻色子真的存在，那么它可能存在的規模已經被縮小了。

托尼.魏伯格(Tony Weidberg)是一位牛津大學的物理學家，他在LHC的Atlas探測器項目工作，他說Tevatron的探測結果合適一種“較輕”的希格斯玻色子的構想。

他告訴BBC記者說：“這很有趣，因為這是另一個小小暗示。它暗示我們到今年年底時將有可能發現這種粒子，而不是宣布排除這種可能性。”他說： “證據就隱藏在LHC的數據中，我們今年就將找到它；到今年年底，我們將走出模糊和不確定，獲得清晰的證實或排除的結果。對我來說，不管結果如何，這兩個結果中其中任意一個簡直認都將讓人興奮不已。”