CERN前景如何?

CERN是个首字语,乃指欧洲核子研究中心。50多年前,一群欧洲人聚集在巴黎,讨论是否必须把各国的专家联合起来,共同致力于研究亚原子物理的有关事务。这是在1953年,离罗伯特 · 奥本海默(Robert Oppenheimer)、欧内斯特 · 劳伦斯(Ernest Lawrence)、恩利科 · 费米(Enrico Fermi)提供美国以工具——用一颗炸弹毁灭几个城市——之后还不到10年。

尽管这次聚会后来导致核动力的和平利用——先通过核裂变、继而通过核聚变去取得无穷无尽的洁净电力,但是亚原子物理研究的第二宗旨还是军用性的,并由此形成更高尚的目标:由劳伦斯于战前创制的回旋加速器改造成粒子加速器,藉以可望从最深物质层次了解宇宙之结构。余悸、期望和好奇……这种种心态相混合,意味着上世纪50年代的物理学颇有几分刺激人的气息,以至于现代物理学家反而可能受人倾慕。

巴黎讨论会议定:一年后建立CERN——欧洲原子核研究委员会(欧洲核子研究中心)。几十年来,CERN于所在地建造了越来越大的加速器,故而对于认识亚微观物质世界作出了极大贡献。如今它已年届半百,前景如何?它要重新塑造自己以延拓其优良传统。

“雪豹的魔术”

从地面上看,CERN只是日内瓦市郊的一片不起眼的低矮建筑。但在这些地上建筑的下面是一个奥妙的密室——长27千米的环形隧道,一直伸展到法国边境的地下。隧道建成伊始,其中空无一物,不久便装满许多蓝色管子,管子对于直线的偏离度为肉眼所无法觉察,管内置有磁铁。当管子沿着隧道联结起来以后,就形成一条引导亿万质子行进的路径,于是质子将以近乎光速的高速度绕着环形路径穿行。此导向环路称为大型强子对撞机(LHC),乃是最大的加速器。它一旦运转——倘若理论物理学家又正确地工作的话——便会填补亚原子物理的那个流行模型的一些剩余空白点,并首先将一批试探粒子射向未知领域的彼岸。导致此成功的是主管罗伯特 · 艾马(Robert Aymar),他的职责非同小可。LHC已碰上一次濒于死亡的遭遇。2001年,艾马博士的前任卢西纳 · 麦埃尼(Luciano Maiani)未曾警告CERN的理事会——代表成员国的委员会:此工程已透支20%。用于加速并导向质子的磁铁的经费超出了预算值。

这可糟了!绝望之际,委员会转而追问艾马博士,要他报告:LHC如何才能不让成员国添加其经费;艾马当时在主管另一个大的国际性物理项目ITER,即打算造一座可运转的核聚变反应堆。

报告是残酷无情的。因经费颇为短缺,报告建议停止绝大部分二期项目。LHC花费的总帐约计23.5亿美元。委员会欣赏这份报告;经过一段审慎的考察期,让艾马博士接替麦埃尼担任LHC的主管。唯独他,只是担当如此职位的第二位非粒子物理学学者。

在1月1日他到任以后,研究工作便继续健全地开展下去。CERN的笨重磁铁的装置结构被调整停当。艾马将CERN原有组织的13个部门压缩为7个“研究室”。CERN是一个国际性分部集权机构,它不可能强制裁员,而得靠自然缩减;在后来几年里,工作人员从2500人减少为预先计划的总数2000名。

CERN空中鸟瞰图

CERN ——实验基地

就这样,CERN碰巧到了理想的改组时期;50年后的今天,CERN已变得十分硬朗。LHC的竣工日期已计划从2005年推延到2007年。粒子物理尚敷军用的见识不胫而走,以至于成员国的执政者们或许会谅解、并迫切想知道;他们所耗费的钱财有何作用?此变化看似意味深长,实际上也确是如此。这使成员国相信,他们的钱并未白白浪费;至少可以说,揭露自然界的秘密(并超越美国人的成就),看来是一个理所应当的目标。

至于LHC本身,其第一项任务是寻觅一种叫希格斯玻色子的粒子。情况似乎是:理论物理学家相信此粒子必定存在,只要关于物体具有质量的见解是正确的话。如果LHC不能发现希格斯粒子(其结果到底如何,兴许在这台加速器开始运转约一年内即可揭晓),那么人人都得改变看法。

发现希格斯玻色子,便能使所谓的粒子物理标准模型得以完成;该模型是在过去30年时间里逐渐构建的。但理论物理学家明白,此标准模型本身只是实在情况的一个不完备表述;因为该模型竟然依赖于18个任意的确切假定。最妙之一着,乃指补充标准模型的是有待研究的一个物理理论,它称作超对称性。这或许得处置任意假定问题;大量耗费在于探索大部分已知基本粒子的超对称伴侣,伴侣粒子重得多,因而难于获得。LHC也许能进入超对称领域,发现某些这样的粒子(如果它们确实存在的话);但也许不能完全涉足此领域。于是为了进一步探测,就需要另外不同的加速器。

跨越“金砖路”

在CERN里有伊恩 · 威尔逊(Ian Wilson)区,其中是升级加速器。大部分粒子物理学家都认为未来的加速器是直线型的。回旋加速器的优越性在于,粒子可能一圈圈地回旋,每转一圈添加一些能量,以致不断地被加速。直线加速器只为一束粒子设置一条“旅行路径”,使其一直向前。

热衷于直线加速器研制是因为环形加速会耗散能量:迫使荷电粒子弯曲便会产生同步辐射,运行越快的粒子耗散能量越多。以往的一个LHC环内的能耗可能使粒子得不到很多的加速。但直线加速器不至于有那样的能量损耗。同时还存在另一个问题,即正在探究更基本的粒子,这需要更大的加速器。因此,未来实验所需求的直线加速器是如此大而有力,以至于大部分人认为,那样的机器不可能利用现有的技术建成。威尔逊博士改革了技术。

威尔逊所发展的CLIC(小型直线对撞机)技术项目是经得起艾马博士砍击的少数几个非LHC工程中的一个。妙哉!倘若这项技术实现了,可能把直线加速器缩短四倍,而功率不减。

传统的直线加速器用称为调速管的装置赋予粒子以活力,使其速度提高。这种装置产生微波脉冲,携带着向前运动的粒子,犹如海波携带着人向前作冲浪运动一般。CLIC技术也用于调速管,但它不是加速工作粒子束流,而是加速“导向”束流,该速流与工作束流并靠着。导向束流的能量实际上冲击着工作束流前行。

虽然这样的配置较难操纵,但结果是能量转移较快,因此加速器就较短了。如果真能制成这样的小型机器,原先巨大的费用得以节约,那么就可能去制造一台功率大于LHC的直线加速器。即使如此,造这样一台机器的费用,如果让一个国家单独承担或许还是过大了;这可能是一个全球范围的联合项目,包括美国、日本和被劝说为其作出贡献的其他国家在内。艾马博士对于CLIC技术问题持乐观态度,认为这项技术在未来会顺利实施。但他对这台全世界联合建造的直线加速器置于何处并不关心;当然该决策定局时,他已不是总主管了,更不用说到建造此机器的时候了。不过,确有许多事情必须认真考虑。

美国有最多的资金可贡献于这样一个项目,但过去美国国会看来是吝啬的。10年之前,国会砍掉了一个称为超级超导对撞机的项目,这给LHC投下了阴影。美国的粒子物理研究看似颇有水平,其实不然。尽管美国人需要加速器,建造它也可以使美国的粒子物理学家有事可干,然而可能不会再在美国建造下一个加速器。倘若艾马博士能成功地将CERN变成一个有良好品格的组织机构,又不至于耗费很大,那么他将充分地显示自己是一个“魔术师”。