“毛粒子”

 

　　中国的毛泽东曾经梦想把电子劈开。

 

　　这并不是无聊的消遣。根据马克思主义自然辩证法，整个宇宙从上到下充斥着张力和变化。所以毛泽东认为，物质应该是无限可分的。毛泽东一有机会就爱和物理学家谈天说地，他常爱说的一句话“:‘一尺之捶，日取其半，万世不竭，’这是个真理。不信，就试试看。如果有竭，就没有科学了。”

 

　　受这个思想的启发，1960年中国物理学家提出了一种洋葱片式的理论，称为“层子模型”。认为质子和电子拥有共同的组成。波士顿大学的物理学家、诺贝尔奖得主谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)曾提议，如果该粒子被发现，应取名为“毛粒子”。

 

　　但是，1966年爆发的文化大革命，封锁了所有的大学和学术期刊，使中国的物理学停滞了一个时代。而其间，夸克模型取得了较大的成功，从而夸克取代毛粒子成为质子成分的候选者。然而直至今日，电子始终未被分开。毛泽东对粒子物理的热衷或多或少地影响了中国粒子物理学的发展。1989年以来，在差不多占据北京一个街区的几栋建筑里，中国的物理学家就默默地开始了他们的实验，他们沿着直径约73米的地下轨道，以接近光速射出电子和它的反粒子——正电子，使其撞击变成小的能量火球。

 

　　那些年里，北京的正负对撞机得出的结果，对更加著名、规模更大的粒子加速器(这些加速器具有数英里长的圆形隧道和上万亿电子伏能量)的前沿粒子物理实验至关重要，如芝加哥市郊的费米国家加速器实验室的亿万电子伏加速器，和日内瓦欧洲粒子物理中心(CERN)预计2007年将建成的大型强子对撞机。

 

 

北京电子对撞机获新生

 

　　2007年秋季，北京正负电子对撞机(已于2004年停止运行进行重大改造)将重新开放，届时其性能将比原来提高100倍。这将使得物理学家能够进一步研究粲的量子特性，解开关于夸克的一些难解之谜。

 

　　到2010年，国际上其他物理学家将会把注意力和资金转移到CERN的新型对撞机上，斯坦福直线加速器和费米实验室的实验将停止。而北京正负电子对撞机将成为世上仅存的少数几个还在做物理实验的粒子加速器之一，所以中国物理学家也开始寻求合作者了。

 

　　北京高能物理研究所所长陈和生最近在物理学杂志《对称》上写道“:虽然合作还不多，但物理学的良机在中国。”

 

　　更重要的是，中国的粒子物理学家已做好准备，为最重大的一项国际合作做出重要贡献，这是一个尚在设想中的大型加速器，名为国际直线对撞机(ILC)。国际上物理学家已把它当作“下一个重大事件”，但该加速器将耗资多少和建于何地尚无定论。

 

 

酝酿中的ILC

 

　　ILC仍在计划阶段，它将被设计为可以承担对CERN新型对撞机可能发现的任何新物理定律和新物质形式进行研究的任务。

 

　　“中国当然对ILC感兴趣。”陈和生说，他现在是国际直线对撞机指导委员会的成员，和最近在北京举行的一次香山会议的组织者之一。在这次会议上，中国的科学家、工业界和政府的领导者着手讨论了中国将在该计划中扮演什么角色。

 

　　北京高能物理研究所的物理学家、大型对撞机设计组的成员高杰是这次会议的发起人之一，他表示并希望结论是肯定的“，不管是对科学、经济、教育，还是对和谐与稳定的世界和人类健康的发展。”

 

　　直到1970年文化大革命的动乱开始平息，中国的物理学才慢慢复苏。周恩来总理也积极支持高能物理的发展，包括建造粒子加速器这个长期的梦想——并没有因为粒子物理跟核武器相关而有所顾忌。

 

　　周恩来同时也得到了海外学者的普遍支持，他们开始大量回祖国访问。像诺贝尔奖得主、当时在纽约州立大学的杨振宁博士和加利福尼亚大学的李政道博士，他们就曾向毛泽东等领导人多次强调基础研究的重要性。

 

 

基础领域争一席之地

 

　　1973年，中国一群物理学家参观了西方的实验室，回国后决心建造一个500亿电子伏的质子对撞机。1976年，斯坦福加速器中心的前主任沃尔夫冈·潘诺夫斯基(Wolfgang Panofsky)第一次访问中国，当时中国正从唐山大地震中恢复，尽管许多人还生活在街头的防震篷里，但中国人民努力奋进的强烈愿望给他留下了深刻印象。

 

　　当时，潘诺夫斯基和其他人(包括李政道)都认为，一个能量较小的对撞机更适合中国。

 

　　潘诺夫斯基说“:我们终于说服了他们”。1982年，中国正处于经济困难时期，质子对撞机的计划被取消，转而建造较低能量(约20亿电子伏)的正负电子对撞机。这样的机器能产生同步辐射，从而可用于医药和其他方面的研究，而不仅限于粒子物理领域。加速器的地址也由原来的城市偏远地带移至北京城内。邓小平亲自参加了加速器的奠基仪式。

 

　　潘诺夫斯基回忆起当年在北京的情形“:邓小平会见了我们，并作了一个半小时的关于高能物理的美的演讲。”其后，中国一组加速器工程师去斯坦福加速器中心进行了一个暑期的访问。

 

　　“我们有30多位中国工程师，看着他们穿着人民装在实验室里进进出出，那真是一个壮观的场面!”潘诺夫斯基教授回忆道。

 

　　北京正负电子对撞机仅用了四年时间就建成了，这是一个惊人的速度。“我们如期且不超预算地完成了任务。”陈和生说。他自1980年从麻省理工学院回国到高能物理所工作，并于1998年就任所长。北京正负电子对撞机的规模是基于当时的国情而建的，目前看来这是一个明智之举。他说“:虽然能量较低，但是更有意义!”

 

　　粒子对撞机是依据爱因斯坦质能方程的原理，撞入小火球的能量越多，就越趋近于宇宙大爆炸时的情形，按照该时刻和温度所遵循的物理学规律，就会有越多的大质量的奇特粒子产生。

 

　　新粒子(可能预示着新的物理规律)通常首先被大型的质子对撞机发现。由于质子对撞机固有的缺陷，物理学家常常忽略掉了新的粒子而盲目地建造更大型的机器。实质上，得到的结果离本质更远了。

 

　　北京正负电子对撞机的能量范围，每束粒子从1亿电子伏到2.2亿电子伏，包含了很多令人困惑的物理学，包括有点超胖、在自然界看来并无用途的τ子(一类重轻子)，及所谓的J/ψ粒子。这个由正反粲夸克组成的夸克对1974年被发现而引发了一场粒子物理学的革命，并因此该粒子的发现者被授予诺贝尔物理学奖。

 

北京正负电子对撞机重大改造工程中的大型粒子探测器——北京谱仪III超导磁铁成功励磁到1万高斯,是我国最大的单体超导磁铁。

 

能区范围内占主导地位

 

　　夏威夷大学的物理学教授弗雷德里克·哈里斯(Frederick A.Harris)经常到北京正负电子对撞机工作。他说“:这个能量区域里很热闹!”通过调节撞击的能量，中国的研究人员精确地测出了τ子的质量，同时对J/ψ粒子及类似粒子进行了深入研究。陈和生坦言:在北京正负对撞机的能量范围里“我们占主导地位!”

 

　　哈里斯说，北京正负电子对撞机最精确地测量了“R”系数，在统治粒子物理学的标准模型中，这个系数标志着对撞机中产生的火球变为强子(由夸克和反夸克组成的粒子)的可能性。这个系数是通过对91个不同能量点进行测量而获得的。CERN的物理学家将开始他们的大型强子对撞机的实验，他们用7万亿电子伏的能量撞击质子，以探寻新的粒子和新的物理学统一规律的线索。北京正负对撞机的这一数据对他们的分析至关重要。

 

　　哈里斯说“:他们取决于北京正负电子对撞机在低能区的测量结果。”

 

　　潘诺夫斯基说“:中国物理学家在已知粒子的测量方面领先于西方，而且准确度要高于西方。”

 

　　通过改造，北京正负电子对撞机对数据的获取能力提高了100倍。这更巩固了中国在这个能区的霸主地位。

 

　　最近，在探测多夸克组成的粒子的物理实验中，爆发了一次风暴。实验包括使一个质子和反质子撞击到一起以形成一个6夸克粒子，该粒子是1948年意大利物理学家恩里科·费米(EnricoFermi)最早预言的。这类粒子存在的证实对于那些为计算夸克性质而苦苦游弋于复杂的方程式中的物理学家来说是一个重要启示。

 

　　“它们到底存不存在?”潘诺夫斯基问道“，2007年将会有个结果”。陈和生说。北京正负电子对撞机改造的完成，将会使中国的加速器专家在下一个十年能集中精力投身于ILC的建设中。

 

 

眼光瞄准ILC项目

 

　　对于计划中的ILC，他们将在32千米长的隧道中用5000亿电子伏的能量使正负电子相互碰撞。国际直线对撞机计划小组将于今年二月在北京会面，届时将公布对撞机的大体费用。

 

　　建造该对撞机的目的就是为了对CERN的新结果做进一步的研究，该项目将耗资数十亿美元，因此很可能因为不能被政府通过而面临资金问题，预计到本十年末，新型CERN对撞机能给出一些新的发现，才能使政府对ILC有信心。潘诺夫斯基说“:ILC仍是个未知数。”

 

　　然而对该对撞机的建造地的竞争已经开始了。主建的国家当然会更有优势成为21世纪的物理学中心，但同时也要分担较多的费用。

 

　　2005年，美国科学院曾提交报告，希望政府采取措施使国际对撞机建造在美国而不是欧洲或亚洲，否则美国将面临失去物理学领导地位的危险。

 

ILC 的物理学家在考虑新一代的加速器

 

　　加州理工学院的物理学家巴里·巴里奇(Barry C.Barish)现在是国际直线对撞机设计小组的领导人。他说，目前非正式的方案是，在这个计划中让中国唱主角。具体占多大分量就看中国政府将做出何种承诺了。

 

 

“中国崛起了”

 

　　哈里斯说“:中国崛起了!这意味着他们希望在未来的十年里担当起主办人的角色。”尽管只有极少的加速器专家赞同这种说法，但是没有人真的知道将来会有怎样的结果。依据现在中国经济快速发展的形势和中国领导人对加强科技发展的承诺，不难想象未来的某些粒子，就像天空中的星星用阿拉伯名字命名一样，将会出现中国名字。陈和生说，由于北京正负电子对撞机的建设，“新的一代加速器工程师和数据工程师成长起来了!”

 

　　陈和生在文化大革命期间曾有一段时间担任高中教师，他说，北京正负电子加速器使得“对科学感兴趣的人现在能够有一个合理的人生”。

 

　　中年一代散居世界各地的科学家纷纷回国投身于国内加速器的建设。高杰就是其中的一位。他在法国工作了15年后于2005年回国，现担任国际直线对撞机中阻尼环系统(使粒子束紧密聚焦)的负责人。高杰说，中国今天生活的步伐令他感到吃惊。“另一个令人惊讶的变化就是，所有的人民都在各自的领域忙碌着，忙于工作、忙于生活。虽然我已经非常疲惫，但是我很开心。因为有太多的事情要去学、去做去改进!”