即使是諾貝爾獎(jiǎng)得主，有時(shí)，也會(huì)犯錯(cuò)

歐洲核子研究組織咖啡廳，1995年春天某日近傍晚時(shí)分

我剛結(jié)束一場(chǎng)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)委員會(huì)的會(huì)議。該委員會(huì)成立于幾年前，旨在評(píng)估新型加速器——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)建議。委員會(huì)成員中有一位德國(guó)物理學(xué)家，他從事歐洲核子研究組織新機(jī)器大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP）的OPAL實(shí)驗(yàn)。他非常友善，提出的問題很精準(zhǔn)；與其他人不同的是，他對(duì)我們并不咄咄逼人，而且很明顯，他站在我們這一邊，我們這些年輕的物理學(xué)家們所投入的事業(yè)在其他人看來是不可能完成的。他的名字是羅爾夫·赫爾，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子時(shí)，他成了歐洲核子研究組織的總干事。

穿過咖啡廳時(shí)，我遇到了卡羅·魯比亞。咖啡廳是歐洲核子研究組織最重要的場(chǎng)所之一。中央餐廳，實(shí)驗(yàn)室的三個(gè)餐廳之一，是最擁擠的，人們也會(huì)在休息時(shí)來這里喝咖啡，或在晚餐后喝啤酒。我們?cè)谶@些桌子上討論，交流彼此的想法，尋求解決方案。各個(gè)民族的人們都在用不同的語言進(jìn)行激烈的辯論，這就是為什么我認(rèn)為餐巾紙也許是現(xiàn)代最重要的科學(xué)工具。成千上萬的餐巾紙被用來寫方程式、繪制探測(cè)器或討論費(fèi)曼圖，它們構(gòu)成了所有新交響曲的第一篇樂譜。討論結(jié)束后，它們被扔進(jìn)垃圾桶——但如果它們被收集并被保存下來，我們就能在其中找到過去幾十年來一些最重要的科學(xué)見解。

大約一年前，魯比亞結(jié)束了他作為歐洲核子研究組織總干事的任期，回到他狂熱的研究活動(dòng)中，四處奔走。一如既往，歐洲核子研究組織是一座充滿創(chuàng)意和首創(chuàng)精神的火山，最重要的是，這里非常奇妙。我們正在進(jìn)行的緊湊渺子線圈實(shí)驗(yàn)就源自米歇爾·德拉·內(nèi)格拉和吉姆·維爾迪的想法，這兩位是魯比亞的學(xué)生，是魯比亞在發(fā)現(xiàn)W和Z玻色子時(shí)，在UA1實(shí)驗(yàn)中與他一起工作的年輕人。我相信魯比亞了解我研究中的所有細(xì)節(jié)，并且也知道我們的項(xiàng)目基于許多新的想法，其中一些是真正革命性的。

當(dāng)他帶著慣常的攻擊性口吻對(duì)我說：“你在忙活什么呢，緊湊渺子線圈的年輕人？你為什么不來我的辦公室聊聊呢？”我知道我這一小時(shí)會(huì)很難熬。在這里，我在黑板前，在諾貝爾獎(jiǎng)得主的書房里，繪圖、解釋、回答著越來越緊迫的問題。魯比亞非常好奇，很顯然，他正在盡一切努力使我陷入困境。我滿頭大汗，努力保持鎮(zhèn)靜，爭(zhēng)論，為自己辯護(hù)。然后，他突然沉默了；在整整半個(gè)小時(shí)的時(shí)間里，他讓我繼續(xù)講下去，不打斷我在黑板上畫東西。“所以，”我向他解釋說，“我想可以建造一個(gè)能經(jīng)受大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)輻射的追蹤器。我知道很多技術(shù)還不成熟，但我們應(yīng)該去做。”然后接著說道，“是的，現(xiàn)在的成本可能難以控制，但我們有一些想法可以大幅降低成本……我知道這樣構(gòu)想出來的探測(cè)器似乎很有未來感，但是，如果我們這樣做的話，它將允許我們以能清楚地識(shí)別希格斯玻色子的精確度來重建電子和μ子信號(hào)。有了這個(gè)探測(cè)器，我們就把希格斯玻色子裝進(jìn)了袋子里。”當(dāng)我放下粉筆，轉(zhuǎn)身看他的時(shí)候，魯比亞臉上帶著一種非常懷疑的表情。很明顯，我告訴他的事他一個(gè)字也不相信。他的最后聲明沒有任何余地，這是一項(xiàng)無法上訴的判決：“這永遠(yuǎn)不會(huì)奏效。你會(huì)在水里挖出一個(gè)大洞。”

當(dāng)離開這個(gè)房間的時(shí)候，我有一個(gè)清楚的想法，我對(duì)未來幾年的工作重心有了明確的想法：證明可以構(gòu)建大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的追蹤器，即測(cè)量粒子軌跡的儀器。即使是諾貝爾獎(jiǎng)得主，有時(shí)，也會(huì)犯錯(cuò)。

偉大的追尋開始了

尋找希格斯玻色子的工作并沒有在其存在被假設(shè)提出后就立即展開。起初，人們并不完全清楚粒子在新理論中所起的決定性作用。直到20世紀(jì)70年代中期，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)模型最終被科學(xué)界接受時(shí)，人們才進(jìn)行了系統(tǒng)的嘗試來驗(yàn)證其所有預(yù)測(cè)，包括這種非常特殊的玻色子的存在。

那篇引起實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家注意的文章發(fā)表于1975年。在經(jīng)歷了幾十年的瘋狂追尋之后，今天重讀理論家約翰·埃利斯和迪米特里·納普洛斯最初研究得出的結(jié)論，也會(huì)讓人感到好奇。在描述了新粒子的特征和它衰變的各種方式之后，兩位科學(xué)家得出了這樣的結(jié)論：“我們向?qū)嶒?yàn)物理學(xué)家道歉，因?yàn)槲覀儾恢老８袼共Ｉ拥馁|(zhì)量，也不知道它與其他粒子的耦合，只不過它們可能非常小。由于這些原因，我們不想鼓勵(lì)大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究，但我們覺得有責(zé)任告訴那些將要在希格斯玻色子存在的情況下進(jìn)行潛在敏感性實(shí)驗(yàn)的人，希格斯玻色子是如何逃離在他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之外的。”

沒有人會(huì)想到，在這樣謹(jǐn)慎的言辭之后，物理學(xué)史上耗時(shí)最長(zhǎng)、耗資最大的粒子追尋終將結(jié)束。標(biāo)準(zhǔn)模型賦予了希格斯玻色子一個(gè)非常明確的角色，并精準(zhǔn)地確定了它的所有特征。除了一點(diǎn)，對(duì)于那些將要尋找它的人來說，這是最重要的：質(zhì)量。理論上，它是一個(gè)自由參數(shù)，就像你正在尋找的東西可以像蝴蝶一樣輕，也可以像大象一樣重。這幽靈般粒子的許多特性取決于質(zhì)量：首先是可以產(chǎn)生幽靈般粒子的原理以及能夠產(chǎn)生這種現(xiàn)象的可能性；然后是玻色子實(shí)際存在的時(shí)間段，最后是它衰變并分解成其他粒子的方式。

在這一點(diǎn)上必須記住，自然界中穩(wěn)定的自由粒子，如光子、電子和質(zhì)子，是少數(shù)。還有一小群其他粒子，如中子和μ子，它們雖然不穩(wěn)定，但壽命足以在探測(cè)器中留下信號(hào)。不過自然界的絕大部分是由不穩(wěn)定的粒子組成的，也就是說，它們會(huì)立即衰變成其他粒子，希格斯玻色子也不例外。因此，我們不能考慮直接識(shí)別它，不能指望通過它在測(cè)量?jī)x器上留下的直接痕跡而觀測(cè)到它。它的存在是根據(jù)它衰變產(chǎn)物的記錄和研究推斷出來的，而質(zhì)量是決定它將產(chǎn)生哪些其他粒子的決定性參數(shù)。可能性的范圍是巨大的，對(duì)于那些敢于追尋它的人來說，這是一個(gè)真正的噩夢(mèng)。這就像在太平洋尋找新的動(dòng)物物種，卻不知道它們是生活在島嶼植被中的小昆蟲，還是大型深海魚類。

這種情況與W和Z玻色子的研究完全不同。當(dāng)魯比亞決定修改當(dāng)時(shí)最強(qiáng)大的加速器以實(shí)現(xiàn)其目的時(shí)，目標(biāo)非常明確：精確地探索W和Z玻色子可能隱藏的質(zhì)量區(qū)域。電弱理論自信地預(yù)測(cè)，它們的質(zhì)量一定是80—90 GeV[20]——幾乎是氫原子質(zhì)量的100倍，并且這些粒子所有產(chǎn)生和衰變模式都得到了明確定義。只需要建立一個(gè)足夠強(qiáng)大的加速器，并把注意力集中在正確的能源值上即可。

然而，對(duì)希格斯玻色子的探索則要復(fù)雜得多，且充滿不確定性。首先，它不一定存在。標(biāo)準(zhǔn)模型需要一些機(jī)制來打破弱相互作用和電磁相互作用之間的對(duì)稱性，但這個(gè)機(jī)制不一定是布勞特、恩格勒和希格斯所描述的。其他物理學(xué)家也提出了不同的模型，當(dāng)然沒有那么優(yōu)雅，但這也不是自然界第一次選擇與我們想象的不同的路徑。其次，即使掌握了這個(gè)非常重要的機(jī)制，理論上也沒有什么能阻止希格斯玻色子像電子一樣輕，或者比大質(zhì)量的W和Z玻色子重10倍。探索它的可能性范圍是巨大的。

如果希格斯粒子是輕粒子，它的間接效應(yīng)就應(yīng)該在許多探索過程中已被發(fā)現(xiàn)，而不必建造大型加速器來產(chǎn)生它。另外，如果它質(zhì)量很大，除了建造一個(gè)足夠強(qiáng)大的加速器，沒有其他捷徑。

追尋悄悄地開啟了，但事情從一場(chǎng)錯(cuò)誤的警報(bào)開始有了瘋狂的節(jié)奏。

1984年的夏天，在我們發(fā)現(xiàn)W和Z玻色子的幾個(gè)月之后，在德國(guó)漢堡附近的Desy實(shí)驗(yàn)室，正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)DORIS最近剛進(jìn)行了升級(jí)。從最初的幾個(gè)月開始，探測(cè)器開始記錄一些非常奇怪的東西。在8.33 GeV左右，一些非常特殊的狀態(tài)正在發(fā)酵，典型的“中性和不穩(wěn)定的東西”以一種無法解釋的頻率衰減。令人興奮的是，這是一個(gè)明確的信號(hào)：一切都表明希格斯玻色子已經(jīng)出現(xiàn)了。

這一發(fā)現(xiàn)在最負(fù)盛名的場(chǎng)合宣布，即在德國(guó)萊比錫舉行的高能物理國(guó)際會(huì)議上。這是一顆重磅炸彈，立即引發(fā)了激烈的反響和討論。當(dāng)其他團(tuán)體探究到相同的信號(hào)時(shí)，問題就解決了：沒有人看到它們。DORIS自己的物理學(xué)家在收集了更多的數(shù)據(jù)后，最終承認(rèn)信號(hào)從未返回過。沒有人知道這到底是一個(gè)錯(cuò)誤，還是統(tǒng)計(jì)上的惡性波動(dòng)。

在接下來的幾十年里，尋找希格斯玻色子的過程中陸續(xù)出現(xiàn)其他錯(cuò)誤的警報(bào)，但是，這頗具爭(zhēng)議的第一次警報(bào)的作用，是將發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的重要性推向了關(guān)注中心。從那時(shí)起，所有新的實(shí)驗(yàn)都把大量的注意力投到希格斯粒子的研究上。

“指環(huán)王”——各式各樣的儲(chǔ)存環(huán)

要發(fā)現(xiàn)新的粒子，首先需要的是一個(gè)能夠產(chǎn)生它們的加速器。也就是說，這個(gè)粒子加速器能夠讓碰撞發(fā)生，并且在碰撞中形成的能量大于要產(chǎn)生的粒子的質(zhì)量。這是愛因斯坦著名的質(zhì)能等價(jià)理論的應(yīng)用。當(dāng)一束粒子與另一束粒子相互碰撞時(shí)，碰撞的能量可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量：碰撞的能量越大，產(chǎn)生的粒子質(zhì)量越大，我們就越接近大爆炸之后宇宙的最初時(shí)刻。因此，加速器的競(jìng)賽越來越激烈了。

用于碰撞的粒子，人們使用的通常是最常見的粒子，其中包括帶電荷粒子：電子、質(zhì)子，有時(shí)還包括它們的反粒子（正電子和反質(zhì)子）。電荷必不可少，因?yàn)榭梢岳秒姶哦墒顾鼈兗铀伲⑶易屗鼈儽３衷谲壍乐小?qiáng)電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生增強(qiáng)其能量所需的加速度，而強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)使加速粒子的軌跡彎曲，使其繞著環(huán)形軌道運(yùn)動(dòng)。

一種早期的粒子加速器使用電子和正電子，它們是點(diǎn)狀粒子。當(dāng)它們正面碰撞時(shí)，就會(huì)湮滅，也就是說，它們完全消失了，它們的能量完全轉(zhuǎn)化為其他粒子。從實(shí)驗(yàn)的角度來看，情況非常清楚，過程也簡(jiǎn)單，可以在最接近理想狀態(tài)的情況下產(chǎn)生和研究新粒子。以電子和正電子為基礎(chǔ)的加速器，其缺點(diǎn)在于粒子無法達(dá)到太高的能量。這些粒子實(shí)際上是輕質(zhì)的，當(dāng)它們?cè)诃h(huán)形軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們通過輻射損失了相當(dāng)一部分的能量，也就是說，它們會(huì)發(fā)出一種特殊形式的光，也被稱為同步輻射。

使用質(zhì)子（或反質(zhì)子）的加速器則不存在上述缺點(diǎn)。質(zhì)子比電子重得多，發(fā)出同步輻射的可能性要小得多，因此質(zhì)子可以被加速到更高的能量。然而，與電子不同，質(zhì)子不是點(diǎn)狀粒子，而是由夸克和膠子組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這使得碰撞更加復(fù)雜。

如果我們可以將質(zhì)子擴(kuò)大到一個(gè)房間的大小，就會(huì)發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的區(qū)域?qū)⒅徽伎傮w積的很小一部分。組成這個(gè)空間的夸克，以及相互交換且因?yàn)樽陨碇g的強(qiáng)相互作用而留在這個(gè)空間的膠子，直徑都只有幾毫米的大小，因此，在大多數(shù)情況下，當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子發(fā)生碰撞時(shí)，沒有發(fā)生什么真正有趣的事情就不足為奇了。在大多數(shù)情況下，碰撞是在外圍發(fā)生的，兩個(gè)質(zhì)子在一定距離處相互作用，并從碰撞中毫發(fā)無損地出來，只是略微偏離了它們?cè)瓉淼倪\(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)碰撞變?yōu)槟撤N正面碰撞時(shí)，質(zhì)子會(huì)分裂，部分能量會(huì)轉(zhuǎn)化為新的粒子。在極少數(shù)情況下，正面碰撞影響到夸克和膠子物質(zhì)集中的小區(qū)域時(shí)，可以利用的能量最大，而且在極罕見的情況下，會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量最大的粒子，包括可能是前所未有的粒子。由于只有一小部分的質(zhì)子參與了夸克或膠子之間的正面碰撞，可用于產(chǎn)生新粒子的最大能量也只是加速質(zhì)子總能量的一小部分。

過去幾十年的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，主要的兩類加速器在某些方面是互補(bǔ)的。電子加速器是進(jìn)行精確研究的理想工具，而質(zhì)子加速器則是卓越的探索加速器，是探索能量前沿、尋找新粒子的先驅(qū)。

對(duì)于兩種加速器而言，能量都是基本參數(shù)。首先，由于低于一定的閾值，直接產(chǎn)生人們所尋找的大質(zhì)量粒子是沒有希望的。其次，由于產(chǎn)生粒子的概率隨著能量的增加而大幅增加：能量越高，產(chǎn)生的給定質(zhì)量的粒子就越多。如果我們能產(chǎn)生大量的粒子，我們就能選擇最清晰的衰變模式，促成最明顯信號(hào)的特征，或許還能發(fā)現(xiàn)一些基本的東西，幫助我們比其他人更早地了解宇宙。

高能意味著只有使用極強(qiáng)的磁場(chǎng)，也就是非常昂貴的磁鐵，才能阻止粒子沿圓周軌道旋轉(zhuǎn)。目前技術(shù)的發(fā)展是有局限性的。可以達(dá)到的最大磁場(chǎng)定義了人們能想到的最小曲率半徑，這就是我們得到現(xiàn)代巨型加速器的方式。

最后，加速器產(chǎn)生的粒子數(shù)也是該特定過程中每秒能夠產(chǎn)生的碰撞數(shù)的函數(shù)。用術(shù)語來說，就是所謂的加速器的亮度。加速器的能量和亮度，這兩個(gè)基本參數(shù)的選擇是最重要的，它可以決定一項(xiàng)偉大的科學(xué)事業(yè)的成敗。

如果人們?cè)诙x新加速器的特性時(shí)仍然過于謹(jǐn)慎，成本會(huì)降低，但冒險(xiǎn)可能會(huì)導(dǎo)致徹底的失敗。冒低于正在尋找的新粒子的生產(chǎn)閾值的風(fēng)險(xiǎn)，或者能產(chǎn)生一些粒子，但不足以提取出清晰的信號(hào)。與此同時(shí)，其他人可能建造出更強(qiáng)、亮度更大的加速器，率先發(fā)現(xiàn)這一粒子。沒有人會(huì)記得你節(jié)省的資源，而每個(gè)人都會(huì)永遠(yuǎn)記得你的投資是一個(gè)失敗的選擇。反過來也一樣。當(dāng)你做出了一個(gè)過于激進(jìn)的選擇，如果提議的技術(shù)太超前，你仍然有失敗的風(fēng)險(xiǎn)，要么是由于無法讓機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)起來，要么是由于成本激增。

粒子物理學(xué)家就是在這條像刀刃一樣鋒利的薄脊上提出他們的建議，有時(shí)甚至拿自己的職業(yè)生涯做賭注。高能物理學(xué)是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的領(lǐng)域。在這個(gè)領(lǐng)域中，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)知識(shí)領(lǐng)先地位的目標(biāo)，往往與希望在領(lǐng)先技術(shù)領(lǐng)域中保持或占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位的國(guó)家野心交織在一起。在這樣一個(gè)滑溜溜的賽道上，偉大的科學(xué)成就和巨大的失敗之間區(qū)別可能就是細(xì)節(jié)問題。

從沃克西哈奇到大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)：一場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)

在20世紀(jì)的大部分時(shí)間里，美國(guó)在高能物理學(xué)方面處于領(lǐng)先地位。1930年，29歲的歐內(nèi)斯特·勞倫斯剛被伯克利聘為年輕教授。他找到了一種方法，通過發(fā)明回旋加速器，使粒子加速器更加緊湊和高效，回旋加速器是第一個(gè)環(huán)形加速器。其余部分來自巨大的投資和曼哈頓計(jì)劃的成功。自那以后，美國(guó)歷屆新政府都保證大力支持越來越雄心勃勃的項(xiàng)目，并暗自希望，通過一系列揭秘或許有可能獲得新的、非凡的能源。幾十年來，正是由于一系列不間斷的成功，才鞏固了美國(guó)在全球?qū)用鏌o可爭(zhēng)議的領(lǐng)導(dǎo)地位。任何想要參與高能物理學(xué)前沿研究的人，都必須獲得一張進(jìn)入美國(guó)實(shí)驗(yàn)室的門票。

在美國(guó)，沒有人認(rèn)為1954年歐洲核子研究組織的誕生是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。俄羅斯幾年前也在莫斯科附近的杜布納啟動(dòng)了其加速器項(xiàng)目，但沒有任何相關(guān)的事情發(fā)生。美國(guó)獲得的領(lǐng)導(dǎo)地位過于穩(wěn)固，以至于不認(rèn)為新的歐洲實(shí)驗(yàn)室會(huì)在某種程度上削弱其主導(dǎo)地位。事實(shí)上，歐洲核子研究組織，在其誕生的頭幾十年里就建造了出色的加速器，并產(chǎn)生了良好的測(cè)量結(jié)果，但沒有歷史性的重要意義。

魯比亞發(fā)現(xiàn)的W和Z玻色子在美國(guó)引起了不小的轟動(dòng)。美國(guó)科學(xué)家們已經(jīng)準(zhǔn)備了詳細(xì)的計(jì)劃，以防錯(cuò)過這巨大的成功以及肯定能加冕的諾貝爾獎(jiǎng)。自1974年起，他們提議在紐約附近的布魯克海文建造一個(gè)新的加速器，他們還選擇了一個(gè)漂亮的縮寫ISA，即伊莎貝爾（Isabelle），指交叉存儲(chǔ)加速器（Intersecting Storage Accelerator）。

這臺(tái)新機(jī)器是一臺(tái)環(huán)形質(zhì)子加速器，對(duì)撞質(zhì)心的能量為400 GeV，足以產(chǎn)生和識(shí)別人們苦苦尋找的弱相互作用的載流子。它的建造始于1978年，但設(shè)計(jì)選擇太過冒險(xiǎn)，并帶來了災(zāi)難性的后果，因此立即出現(xiàn)了問題。在定義這臺(tái)新機(jī)器的規(guī)格時(shí)，伊莎貝爾的物理學(xué)家提議使用超導(dǎo)磁體。超導(dǎo)性是某些材料一種非常特殊的特性，它對(duì)電流通過不產(chǎn)生電阻。通過這種方式，可以避免普通導(dǎo)體的缺點(diǎn)，并以最小的分散產(chǎn)生巨大的電流。大電流是建立強(qiáng)磁場(chǎng)的主要組成，而強(qiáng)磁場(chǎng)是將高能質(zhì)子保持在軌道上的必要條件；但是超導(dǎo)并不容易管理。首先，因?yàn)檫@些材料中的電阻只有在接近絕對(duì)零度時(shí)才會(huì)被抵消，所以超導(dǎo)細(xì)絲必須浸沒在我們已知的最冷的物質(zhì)——液氦中，溫度約為-269℃。其次，這些材料在強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電流存在時(shí)往往會(huì)失去超導(dǎo)性，而強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電流正是對(duì)加速器很有用的條件。這些缺點(diǎn)只能通過非常嚴(yán)格的生產(chǎn)和質(zhì)量控制技術(shù)來克服。

起初，伊莎貝爾的設(shè)計(jì)看起來堅(jiān)實(shí)而周密。1975年生產(chǎn)出了第一款具有正確規(guī)格的新型加速器的超導(dǎo)磁體，并順利通過了所有測(cè)試。該加速器項(xiàng)目得到了資助，并被正式批準(zhǔn)為對(duì)美國(guó)具有戰(zhàn)略重要性的倡議。1978年10月27日，一柄鶴嘴鋤砸在地上，標(biāo)志著建設(shè)的開始，一切似乎都很順利。直到1979年1月，據(jù)說可以保證工業(yè)生產(chǎn)的第一塊磁鐵才從西屋運(yùn)來。它沒有通過所有測(cè)試。第二塊磁鐵到來，歷史重演。結(jié)果是該項(xiàng)目物理學(xué)家和西屋工程師之間無休止的責(zé)任推脫。新加速器項(xiàng)目因此延遲數(shù)年，為歐洲核子研究組織打開了機(jī)會(huì)之窗，而卡羅·魯比亞很好地利用了這一機(jī)會(huì)。當(dāng)伊莎貝爾顯然輸?shù)袅擞螒驎r(shí)，這個(gè)項(xiàng)目就被徹底放棄了。1983年7月，在魯比亞宣布發(fā)現(xiàn)W和Z玻色子的幾個(gè)月后，美國(guó)在已經(jīng)花費(fèi)2億美元之后，宣布取消伊莎貝爾的項(xiàng)目。

1983年的沖擊解釋了物理學(xué)家和美國(guó)政府的許多后續(xù)行動(dòng)，現(xiàn)在已經(jīng)演變成一場(chǎng)在行星層面上爭(zhēng)奪高能物理領(lǐng)域霸權(quán)的明確競(jìng)賽。在與美國(guó)的直接競(jìng)爭(zhēng)中，歐洲核子研究組織第一次證明了自己可以做得更好。我們需要做出反應(yīng)。

短期內(nèi)，所有最好的資源都集中在芝加哥附近的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，事實(shí)證明它能夠主導(dǎo)超導(dǎo)磁體技術(shù)，并投入運(yùn)行兆電子伏特加速器（Tevatron），這是一種正負(fù)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。與促成魯比亞發(fā)現(xiàn)的加速器類似，但能使質(zhì)子流達(dá)到四倍高的能量。一個(gè)新項(xiàng)目立即構(gòu)思出來了，它將永遠(yuǎn)重申美國(guó)在該領(lǐng)域的地位，并讓歐洲的野心在萌芽階段消失。

伊莎貝爾實(shí)驗(yàn)關(guān)閉的同一年，在現(xiàn)任費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室主任利昂·萊德曼堅(jiān)定推動(dòng)下，建造巨型加速器的想法得以實(shí)現(xiàn)。超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)（SSC）周長(zhǎng)達(dá)87km，質(zhì)子可被加速到40 TeV的能量，比伊莎貝爾預(yù)測(cè)的能量高一百倍，并且該加速器被8700個(gè)超導(dǎo)磁體偏轉(zhuǎn)，類似于上千個(gè)磁鐵被兆電子伏特加速器成功開發(fā)。它成為世界上最大、最強(qiáng)的加速器。這使發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子成為可能，并揭示出物質(zhì)最內(nèi)在的秘密。最重要的是，它將恢復(fù)美國(guó)在高能物理領(lǐng)域的首要地位。

必要技術(shù)的發(fā)展將使超導(dǎo)體有力地進(jìn)入分配電功率的新方法領(lǐng)域；管理產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量所必需的新方法將會(huì)重申美國(guó)在高性能計(jì)算領(lǐng)域的首要地位。

在里根當(dāng)政的年代，超級(jí)加速器的想法是受歡迎的，它的建造總部選在得克薩斯州的一個(gè)半沙漠地區(qū)，靠近達(dá)拉斯一個(gè)名字叫“沃克西哈奇”的小鎮(zhèn)，沿用了一個(gè)世紀(jì)前居住在這片平原上的土著人的語言，意為牛尾。44億美元的預(yù)算雖然很高，但對(duì)美國(guó)這樣一個(gè)資源豐富的國(guó)家來說是可以接受的。畢竟，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在同一年也承諾向國(guó)際空間站提供同樣數(shù)額的資金，這是一個(gè)太空合作項(xiàng)目。

超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目于1987年獲得批準(zhǔn)，資金立即開始注入。數(shù)十名物理學(xué)專家和數(shù)百名剛獲得博士學(xué)位、才華橫溢的年輕人，帶著他們的家人，搬到達(dá)拉斯南部的棉花田之間，在那里修建了第一批建筑。在地下幾十米深的地方，巨大的機(jī)械鼴鼠開始挖隧道。

與此同時(shí)，歐洲核子研究組織懷著發(fā)現(xiàn)W和Z玻色子的熱情，開啟了一項(xiàng)嶄新的、雄心勃勃的項(xiàng)目——大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，一個(gè)大型電子加速器，致力于對(duì)W和Z玻色子這兩個(gè)新來者進(jìn)行精密研究。每年數(shù)百萬的Z玻色子需要將電子和正電子加速到每束45 GeV的能量，并且只有一種方法來限制同步輻射造成的損耗：通過最大化曲率半徑。結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)周長(zhǎng)27km，挖掘到了地下一百米處的巨型加速器。就在魯比亞宣布發(fā)現(xiàn)Z玻色子和W玻色子的神奇的1983年，美國(guó)取消了伊莎貝爾項(xiàng)目，萊德曼提出了超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目。

這臺(tái)新機(jī)器的主要目的是測(cè)量攜帶弱相互作用的玻色子的所有特性，特別是它們的質(zhì)量和性質(zhì)，并將它們與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)進(jìn)行比較。他們已經(jīng)計(jì)劃將束流的能量提高到80 GeV，以產(chǎn)生成對(duì)的W玻色子，如果可能的話，還會(huì)進(jìn)一步尋找超對(duì)稱性或希格斯玻色子。下一步已經(jīng)在腦海中了。那條隧道將來可能容納一個(gè)巨大的質(zhì)子加速器。如果這項(xiàng)技術(shù)可以生產(chǎn)兩倍于兆電子伏特加速器的超導(dǎo)磁體，它可能會(huì)導(dǎo)致14 TeV的碰撞。

大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的挖掘工作立即開始了。該項(xiàng)目由意大利物理學(xué)家埃米利奧·畢加索負(fù)責(zé)。只要深入日內(nèi)瓦廣闊的沖積平原，一切便會(huì)順利進(jìn)行，這些穩(wěn)定的沉積物層也許是由汝拉的第四紀(jì)大冰川形成的緊實(shí)的磨礫層或是由冰磧組成的基質(zhì)層。當(dāng)現(xiàn)在的阿爾卑斯山脈還靜靜地立在海底時(shí)，這些沉積層一直延伸到了海中。我們?cè)谌昀较峦诰驎r(shí)，意外接踵而至。汝拉是高壓水的迷宮，是可達(dá)到40倍大氣壓的真正的地下河。為了減少穿山隧道的長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)進(jìn)行了多次修改。最初計(jì)劃的8km被減至3km左右，所有的努力都是沿著一條避開已知含水層的道路進(jìn)行，但沒有辦法完全避開它。在山下，隧道是用炸藥炸開的，突然之間，我們面臨著工程師們千方百計(jì)想要避免的噩夢(mèng)。地質(zhì)地圖沒有預(yù)見到的高壓水源侵入了隧道。距離隧道竣工還有幾百米，但工程必須放慢速度，在現(xiàn)場(chǎng)找到新的解決方案。在2008年，加速器的3—4扇區(qū)發(fā)生故障，導(dǎo)致大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)癱瘓一年。

盡管困難重重，這項(xiàng)工程仍如期完成，法國(guó)總統(tǒng)弗朗索瓦·密特朗于1989年7月14日為龐大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)揭幕。這個(gè)日期不是隨意選定的。這個(gè)“指環(huán)”是歐洲科技的驕傲，它與法國(guó)大革命兩百周年的盛大慶典相得益彰。

當(dāng)大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)開始工作并產(chǎn)生出色的結(jié)果時(shí)，卡羅·魯比亞，是的，他剛剛被任命為歐洲核子研究組織的總干事，正在重新向剛批準(zhǔn)了超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的美國(guó)發(fā)起挑戰(zhàn)。1990年，他向全世界宣布：在新的大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)環(huán)上（現(xiàn)在擁有電子和正電子），我們將通過質(zhì)子循環(huán)來建造大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)——?dú)W洲版超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)。

歐洲核子研究組織新型加速器的能量受到環(huán)尺寸的限制。在27千米的圓周上，即便使用仍在研發(fā)中的最先進(jìn)的超導(dǎo)磁體，要達(dá)到預(yù)期的40 TeV的能量也是不可想象的。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的14 TeV意味著將產(chǎn)生更少數(shù)量的大質(zhì)量粒子，如希格斯玻色子，因此不太可能在與美國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)中獲勝，但是失去的能量可以通過提高亮度來恢復(fù)。魯比亞決定大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的亮度將比預(yù)期的超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)高10倍，但是高亮度意味著非常高強(qiáng)度的束流、大量幾乎不可能管理的粒子，探測(cè)器將被輻射燒毀，如此先進(jìn)的技術(shù)被認(rèn)為是不可能實(shí)現(xiàn)的。這是只有瘋子才能想到的東西。

物理學(xué)家和加速器專家開始準(zhǔn)備這個(gè)項(xiàng)目的細(xì)節(jié)工作。魯比亞請(qǐng)另一位意大利人喬治·布里安蒂來主導(dǎo)這個(gè)項(xiàng)目，喬治·布里安蒂是加速器和磁鐵領(lǐng)域的頂尖專家。這個(gè)選擇再合適不過了。布里安蒂提出了一個(gè)絕對(duì)創(chuàng)新的解決方案，這將節(jié)省大量資金。與其為兩個(gè)反向運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子束建立兩條獨(dú)立的束流線，他建議把兩個(gè)獨(dú)立的真空管放在一起，讓質(zhì)子束在同一個(gè)磁體中循環(huán)。這是一個(gè)聰明的舉動(dòng)，它使機(jī)器所需的磁鐵數(shù)量減半。

因此，已經(jīng)開挖的大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)隧道和修建基礎(chǔ)設(shè)施的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能夠指望在磁鐵上節(jié)省大量資金。遵循傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的2500個(gè)偶極磁鐵，現(xiàn)在只需要一半。簡(jiǎn)言之，建造大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的成本將比建造小型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的成本低，但能產(chǎn)生同樣的結(jié)果。許多人認(rèn)為這是虛張聲勢(shì)，挑戰(zhàn)依然存在。

1992年8月6日，達(dá)拉斯酷熱難耐。第26屆高能物理會(huì)議在此召開，以慶祝美國(guó)新的偉大科學(xué)成就。成千上萬來自世界各地的物理學(xué)家聚集在這個(gè)地方，美國(guó)正象征性地準(zhǔn)備重申他們的首要地位。他們帶我們?nèi)チ宋挚宋鞴妗Ｎ覀兛吹搅巳碌臏y(cè)試線，第一批磁鐵符合規(guī)格。我們參觀剛建成的大樓，里面已座無虛席。我們戴著頭盔下到通往隧道的大坑洞。隧道已經(jīng)挖了好幾千米，一切看起來閃閃發(fā)光，完美無瑕。盛大聚會(huì)的一切準(zhǔn)備就緒。

當(dāng)魯比亞開始發(fā)言時(shí)，會(huì)議室里出現(xiàn)了一種超現(xiàn)實(shí)的沉默。卡羅用他的數(shù)十張透明膠片激怒了觀眾。結(jié)論是生硬的：大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將在1998年完工，它的物理性能將和超導(dǎo)超能對(duì)撞機(jī)一樣，但成本將減半。

一直名列前茅的美國(guó)人，不習(xí)慣感受這些膽大妄為的歐洲人的氣息，他們無法掩飾自己的憤怒。每個(gè)人都知道魯比亞也是在虛張聲勢(shì)。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的成本不會(huì)那么低，最重要的是，在指定的時(shí)間內(nèi)建造磁體是不可能的，但挑戰(zhàn)已經(jīng)開始，觀眾知道，從現(xiàn)在開始，事情會(huì)變得更加艱難。

在歐洲，一群富有冒險(xiǎn)精神的年輕人開始為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)和開發(fā)幾乎不可能完成的探測(cè)器，而在美國(guó)，超導(dǎo)超能對(duì)撞機(jī)受到歐洲核子研究組織帶來的壓力，開始遇到嚴(yán)重的困難，特別是在預(yù)算方面。

早在1989年該項(xiàng)目就進(jìn)行了一次初步費(fèi)用審查，將初步概算提高到59億美元。后來，為了確保更好地管理業(yè)務(wù)，一個(gè)專家委員會(huì)提議修改磁鐵的設(shè)計(jì)，其開口必須從4cm增加到5cm。這看起來似乎是一個(gè)小細(xì)節(jié)，但隨著更大的開口，磁場(chǎng)就會(huì)減少，對(duì)整體成本的影響相當(dāng)大：要么建造更多的磁鐵，要么加長(zhǎng)隧道。結(jié)果：1991年，該項(xiàng)目的成本估計(jì)為86億美元。當(dāng)無數(shù)次修訂后將整體成本提高到115億美元時(shí)，每個(gè)人都明白，這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)完了，這是一場(chǎng)災(zāi)難。1993年10月27日，在關(guān)閉伊莎貝爾項(xiàng)目的10年之后，也就是卡羅·魯比亞在達(dá)拉斯發(fā)起挑戰(zhàn)的一年后，美國(guó)國(guó)會(huì)以283票對(duì)143票的壓倒性票數(shù)，取消了超能超導(dǎo)對(duì)撞機(jī)計(jì)劃。已經(jīng)挖掘的隧道全長(zhǎng)23km，耗資20億美元，在未來數(shù)年里，它將無聲地見證20世紀(jì)最轟動(dòng)的科學(xué)失敗之一。1500名物理學(xué)家、工程師以及技術(shù)人員在幾周內(nèi)就被解雇了，他們已經(jīng)在這個(gè)項(xiàng)目上工作了數(shù)年。

這件事震驚了整個(gè)國(guó)際科學(xué)界，對(duì)美國(guó)高能物理學(xué)家來說是一次巨大的打擊，他們可能永遠(yuǎn)無法從那場(chǎng)災(zāi)難中恢復(fù)過來。

具有諷刺意味的是，在取消超能超導(dǎo)對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的同一年，利昂·萊德曼，該項(xiàng)目的發(fā)起人之一，出版了他最著名的書籍，該書使得追尋希格斯玻色子的主題成為公眾感興趣的話題——《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是問題？》。

不可能的探測(cè)器

20世紀(jì)90年代初我們?cè)跉W洲核子研究組織以小組的形式，討論當(dāng)時(shí)正在設(shè)計(jì)的新型加速器——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，距今已經(jīng)二十多年了，這一切如同昨日發(fā)生的一樣。我還記得在歐洲核子研究組織咖啡廳的餐巾紙上，圍繞用鋼筆勾畫的巨型探測(cè)器概念圖展開的熱烈討論。

那些年有著充滿激情的討論、令人難以置信的熱情和讓人痛苦的失望。還有一些沖突——經(jīng)常是激烈的沖突，因?yàn)楹芏嗤抡J(rèn)為我們有點(diǎn)瘋狂：我們提出的技術(shù)太超前了，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的高亮度環(huán)境太不友好了。許多更有經(jīng)驗(yàn)的同事得意揚(yáng)揚(yáng)地看著我們，好像在說：“祝你們好運(yùn)，但你們永遠(yuǎn)不會(huì)成功。”其他人則對(duì)四十歲左右新一代的物理學(xué)家感到驚訝，這些物理學(xué)家認(rèn)為自己能在其他人都失敗的地方取得成功——發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。

一小撮先驅(qū)者的夢(mèng)想現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，而且，正如經(jīng)常發(fā)生的那樣，現(xiàn)在它似乎只是一個(gè)由成功和榮耀組成的故事。事實(shí)上，這是一次冒險(xiǎn)，而且是一次非常困難的冒險(xiǎn)，總是處于巨大成功和失敗的風(fēng)險(xiǎn)之間。

現(xiàn)代粒子探測(cè)器是一種巨型數(shù)碼相機(jī)，原理很簡(jiǎn)單。每臺(tái)加速器都有一個(gè)或多個(gè)特殊區(qū)域，稱為相互作用區(qū)，在這里，束流彼此交叉，集中在無限小的尺寸上并引起碰撞。為了記錄和了解碰撞過程中發(fā)生的情況，需要使用探測(cè)器系統(tǒng)，這是一種基于高度敏感的傳感器設(shè)備，能夠記錄離開相互作用區(qū)的粒子所產(chǎn)生的最微小的能量釋放。

在加速器中，質(zhì)子以極其密集的粒子束形式傳播。每一束包含大約1000億個(gè)質(zhì)子，當(dāng)它們到達(dá)相互作用區(qū)時(shí)，集中在一個(gè)直徑約0.01mm、長(zhǎng)度約10cm的絲狀區(qū)域。兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)束之間的時(shí)間間隔是25ns（十億分之一秒），大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)最多可以容納2800個(gè)數(shù)據(jù)包。或者，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的碰撞是脈沖式的，在確定的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生，由一個(gè)非常精確的同步電路調(diào)節(jié)。相互作用區(qū)周圍的傳感器接收到宣告質(zhì)子束到達(dá)的信號(hào)，并準(zhǔn)備好讀出電路，以便記錄碰撞過程中相互作用區(qū)周圍發(fā)生的情況。

一切都必須非常迅速地發(fā)生，因?yàn)榱硪唤M束子立即到達(dá)，探測(cè)器必須準(zhǔn)備好記錄下一個(gè)事件。其原理與現(xiàn)代數(shù)碼相機(jī)的原理類似。大約1億像素的碰撞圖像是由分布在探測(cè)器體積內(nèi)的單個(gè)傳感器組成的，所有的信息都被記錄在磁盤上，以便從容地、離線地檢查圖像。

每張圖片的大小，1兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，與普通的數(shù)碼照片相比并沒有太大的差異。令人驚訝的是速度。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)探測(cè)器以每秒4000萬張的驚人速度拍攝數(shù)字照片。如果要保存所有的圖像，數(shù)據(jù)量將會(huì)過多。沒有任何系統(tǒng)能夠處理每秒40拍字節(jié)（petabyte）如此龐大的信息流。即使你能做到這一點(diǎn)，你也不知道該把它存儲(chǔ)在哪里。如果用10 G內(nèi)存的DVD把它記錄下來，我們每秒需要4000張光盤，很快我們就不知道該把它們放在哪里了。在數(shù)據(jù)采集的一年里，這些DVD將超過400億張，疊放在一起將高達(dá)40000km。

為了解決這個(gè)問題，成千上萬的微處理器被整合到檢測(cè)器中，在很多情況下是連接在一起的。當(dāng)碰撞中發(fā)射出的粒子所產(chǎn)生的信號(hào)被局部記錄下來時(shí)，微處理器就會(huì)重建全局信息，并很快詳細(xì)闡述關(guān)于碰撞類型的假設(shè)。正如我們前面看到的，在絕大多數(shù)情況下，質(zhì)子之間的碰撞會(huì)產(chǎn)生輕粒子和眾所周知的物理現(xiàn)象，所以這類事件會(huì)立即被丟棄。而重點(diǎn)是潛在的有趣事件，這非常罕見。做出這種選擇的電路被稱為“觸發(fā)電路”，它在百萬分之一秒內(nèi)決定哪些事件需要記錄，哪些事件需要丟棄。在每秒4000萬個(gè)事件中，最終被選中的不到1000個(gè)。因此，信息的數(shù)量將變得可管理，盡管需要開發(fā)基于分布式計(jì)算的新結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)儀器的尺寸也令人印象深刻。高能碰撞意味著產(chǎn)生的粒子會(huì)衰變，從而產(chǎn)生其他穿透性極強(qiáng)的粒子流。有些在傳感器材料中移動(dòng)了幾米后才被吸收，有些甚至逃脫了最龐大的儀器，我們只能通過重建部分軌跡來測(cè)量其特性。因此，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的物理設(shè)備變成了巨大的建筑物，高達(dá)五層樓，且重量如同一艘巡洋艦。

似乎這一切還不夠，傳感器必須是超快速的。碰撞以如此瘋狂的速度接連發(fā)生，以至于只能使用最快的探測(cè)器，那些能在不到一秒的時(shí)間內(nèi)記錄到最小信號(hào)，并立即為下一個(gè)事件做好準(zhǔn)備的探測(cè)器。

最后，由于大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)把一切賭注都押在了高亮度上，在相互作用區(qū)周圍每秒鐘產(chǎn)生的粒子數(shù)量將會(huì)非常大，因此，這一區(qū)域周圍的一切——傳感器、電子設(shè)備、支撐結(jié)構(gòu)、電纜和信號(hào)纖維——都必須具有前所未有的抗輻射能力。否則，在幾個(gè)月或幾年的活動(dòng)之后，這些非常精密的儀器將永遠(yuǎn)停止工作，將會(huì)損失巨大的投資。

龐大的結(jié)構(gòu)，重達(dá)數(shù)千噸，包含數(shù)百萬個(gè)超高速傳感器，抗輻射并且智能，能夠在幾百萬分之一秒內(nèi)評(píng)估新收集的事件是丟棄還是值得記錄。難怪當(dāng)我們提出構(gòu)建大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)探測(cè)器時(shí)，每個(gè)人都認(rèn)為我們瘋了。我們都知道事情一點(diǎn)也不容易。