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Nature新闻特写：费米实验室的前途充满风险

2005.6.9 Nature, Vol435
原文点这里

在这个世界上，粒子物理学是一个大把砸钱的领域。在这方面，费米实验室打算拿它的前途下一次巨大的赌注，建造一个巨型加速器。

目前费米实验室最重要的契机就是国际直线加速器。——Pier Oddone

Pier Oddone先生坐在一间临时办公室里，看上去一幅放松而自信的样子。下个月，这位年逾古稀之年的物理学家就要成为这所执全美高能物理之牛耳的国家实验室的新掌门了。这段时间，实验室里被认为“没有存在理由”的粒子加速器就要在5年内关闭。但是Oddone却对实验室的前景表示乐观，他说：“这正是重整旗鼓转向新领域的好机会。”

   Odden就要成为费米国立加速器实验室（简称费米实验室）的第五任实验室主任了。这所实验室座落在毗邻伊利诺斯草原的巴达维亚，拥有2100名员工。目前世界上最强大的粒子对撞机Tevatron就位于这里。然而在未来3年里，这个世界第一的位置将被欧洲核子研究中心建造的一台更大的加速器所取代。欧洲核子研究中心是欧洲的高能物理实验室，位于瑞士日内瓦附近。有鉴于此，美国政府计划关闭Tevatron，费米实验室的未来因此充满了未知数。

Tevatron的探测设备之一CDF的发言人，物理学家Rober Roser说，费米实验室的全职员工们理所当然地感到惶惶然。他坦率地说：“像这样的一所实验室，如果无事可做的话，那就只等关门大吉了。”


制订计划

Oddone希望费米实验室能够拥有一台更新、更大的加速器，这就是所谓的国际直线对撞机。这可是迄今为止最为庞大的对撞机，它足足有30公里长，采用卓绝的超导技术，能够把电子的能量加速到5000G电子伏。物理学家们明白，要想建造这个野心勃勃的加速器，不依赖国际合作是不行的。保守估计，这个计划耗资高达60亿美元。

Oddone希望能同国际合作者们一道，在这个十年末在费米实验室开工建造国际直线对撞机。要想实现这个目的，需要学术合作、外交努力，还有美国政府的足够的财政许诺也是必不可少的。

这项计划充满了风险，它要么重塑费米实验室过去的辉煌，要么令实验室的前途一片渺茫。反对者认为，实验室的管理者们将过多的赌注押在一台至今还没有在国内得到政策支持的机器上，然而支持者们认为只有敢想才敢做。

物理学家们就是怀着这样的梦想在1979年开工建造Tevatron的，建造它的目的之一就是为了验证顶夸克的存在。夸克是构成质子、中子等亚原子粒子的基本单元，其中顶夸克和底夸克是质量最大的。底夸克就是费米实验室利用现有的环状加速器在1977年发现的。而要想找到顶夸克，必须把质子和反质子的能量提高到5亿电子伏到15亿电子伏，这正是建造Tevatron的初衷。

Tevatron经过进一步的改良，于1995年捕获到了顶夸克的踪迹。这个发现令费米实验室的科学家们欢呼雀跃，而同时也让管理者们为实验室今后的打算头疼不已。

在美国，费米实验室并非唯一一家陷入两难境地的粒子物理实验室。斯坦福直线加速器中心(SLAC)已经退休的实验室主任、诺贝尔奖得主Burton Richter在1992年曾经说过，他们也面临着类似的问题。斯坦福直线加速器中心位于加州的Menlo Park，这里的电子加速器于1968年首次探测到了夸克，而现如今，这台加速器的升级改造走到了尽头，已经没有空间可以进行扩展了。

于是，Richter说道，他们决定将这台加速器改造成一个强大的X射线源，这样生物学家、化学家和材料科学家们就可以用它来检测分子和材料的结构。而同时，该中心也开始将他们的研究领域朝着多样化的方向发展，比如天体物理、伽马暴、宇宙学等等。目前，这个实验室正在蓬勃地发展，预算也在稳步增长。而就在上个月，斯坦福直线加速器中心宣布进行一次大规模的改组，目的是为了将该中心最终转型为一所全方位的实验室。实验室主任Jonathan Dorfan说：“这个新的体系能够充分适应研究人员，使他们得以发挥其所长，做出重大的发现。”

然而费米实验室并没有采取多样化的发展策略，而是决定在90年代升级Tevatron，使其能量达到更高的水平。这段时间里，他们煞费苦心，试图找到希格斯玻色子，理论预言，正是这种粒子能够解释为什么宇宙中的所有物质都有质量。俘获希格斯玻色子会成为费米实验室的神来之笔。

美国政府已经在Tevatron的升级上花费了数亿美元的金钱，升级工作已经在2001年完成，然而已近暮年的Tevatron并没有达到预期的效果，这些年来它的地基一直在下沉，一些新技术的表现得越来越趋于不稳定，预算收紧，进展十分缓慢。经过举步维艰的四年后，目前，一切进展已经平稳，但是由于已经损失掉了大量的时间，没有几个人还相信Tevatron能够赶在2008年欧洲核子研究中心的加速器开始运转之前发现希格斯粒子。

Richter认为，费米实验室正处于过渡期。等欧洲核子中心的加速器开通一年后，Tevatron就会关门大吉，许多物理学家也就因此丢掉饭碗。Richter说：“他们已经把自己置身于特有的岗位上，现在的问题是他们如何才能自拔呢？”


恪守信念

一种解决办法是仿效斯坦福直线加速器中心，走多元化发展之路。费米实验室已经开始将研究领域扩展到了一种遍布宇宙、不带电荷的粒子——中微子方面。今年早些时候，费米实验室开启了一束中微子流，并把它对准了一个七百多公里外的位于明尼苏达州Soudan Mine的探测器。另外还有一些设备也正在规划中，以期能在未来十年里把费米实验室的中微子科学的发展带动起来。

但是依靠研究中微子来支撑实验室使之维持现状是不够的，况且很多物理学家对实验室转行抱不屑一顾的态度。CDF的发言人、物理学家YoungKee Kim说：“多样化发展的确是一条捷径，但是艰难的探索过程会更加有意义。以我个人观点看，我们必须拥有全美的高能物理研究中心，否则我们就会丧失在高能物理领域的领先地位。”

Oddone对此表示赞同，他说：“目前国际直线对撞机对本实验室来说是一个重大的契机。”费米实验室正与美国能源部一道，逐步加强该实验室的加速器和探测器的研究，目的是给建造新的对撞机添加筹码。如果一切进展顺利的话，Oddone表示，国际直线对撞机将对诸如希格斯粒子等奇异粒子进行更为细致的探测，在下个十年早些时候，费米实验室将会再度成为国际物理学的中心。

然而这仅仅是“如果”。众所周知，合作建造直线对撞机是一个十分艰难的过程，其间少不了超额的开销、明争暗斗，还有各式各样的外交策略。即便是对撞机进展顺利，也不一定就会建在美国境内，日本KEK实验室的总主任Yoji Totsuka表示，日本正在全力制订计划，以求在本国的KEK实验室建造这台对撞机。

这些不确定因素令费米实验室难以挽留住那些数以千计的访问学者，这样现有的实验项目就没法开展。Tevatron的两个主要的探测器——CDF和DZero就面临着人手短缺的困难。DZero的发言人Jerry Blazey说：“许多人不是已经走了，就是正打算走。”而一位名叫Luciano Ristori的CDF工作人员说：“现在我们正在尽全力坚持下去。”

这种境况还导致实验室难以吸引到开展先期工作所需要的专家。一位来自密歇根州立大学从事探测器原型研究工作的物理学家Hendrick Weerts说：“这的确非常困难，众所周知，未来两到三年里，欧洲核子研究中心将会迎来一个独一无二的良机，他们可不想做一些直到2016年才能开始的工作。”

在实验室的自助宴会上，这个问题显得更糟。有一个Tevatron研究小组坐在餐桌旁边，这个小组由来自世界各地的四位年轻学者组成。他们四个人都表示支持费米实验室建造直线对撞机的决定，然而他们当中只有一位实验室的雇员说，欧洲的对撞机造好之后，他仍将留在费米实验室。

费米实验室正在想方设法遏止住人才外流。作为权宜之计，他们打算成立一个计算中心，允许美国的研究人员能够远程监控他们在欧洲核子研究中心进行的实验。主持这个中心的Avi Yagil说：“他们在欧洲核子研究中心获得的数据，我们这里照样也能得到。”另外费米实验室也是网格计划的一个节点，这个网格计划是一个分布式计算机网络，它能够将大型强子对撞机的数据传给整个国际物理学界。

Yagil说，他希望这些努力能够防止实验室出现类似于军队撤退时进行清场的那种局面。然而这些措施能否足以维持实验室的运作呢？Richter不这么认为，他强烈谴责实验室的领导层在项目多样化方面无所作为。他说：“实验室对于接下来10到15年该干什么从来就没有过一个连贯、长远的计划。并且正是这一点让他们处于现在这个境地。”

Oddone回避了这些反面意见。他认为，费米实验室拥有足够的人员、技术和空间来建造一个新的大型加速器。但是承诺稍微不足都不会令梦想成真。Oddone表示：“的确，风险十分惊人，但是我们试图回答的问题也同样惊人。”

图1：费米实验室的新掌门Pier Oddone为实验室制订了一个宏伟的计划。
图2：费米实验室
下图：Tevatron（图3）关闭之后实验室缺乏长远的规划，这使得未来充满变数。Burton Richter（图4）对此持批评态度。