题目

费米实验室
受累介绍一下来历、地位、意义等

提问时间：2020-12-09

答案

费米实验室:大梦想才能赢得大收获(图)
上：实验室的新主任Pier Oddone在计划实验室的未来.
下：16层高的威尔逊大楼是费米实验室的行政大楼,实验室的创始人罗伯特·威尔逊相信：一个研究型实验室应该是学术界和国际文化的中心.大楼美丽的外形和内部同样美丽的粒子物理设施深深地吸引了物理学家.
据科学时报2005年6月22日报道：费米实验室拥有迄今为止世界上最大的加速器,但一台能量更大的加速器将于2008年在欧洲高能物理实验室建成,届时,美国政府将关闭费米实验室的这台加速器,实验室何去何从?即将出任实验室新主任的Pier Oddone选择了冒险：他希望耗资60亿美元的国际直线加速器落户费米实验室,他的目标是让费米实验室在下个十年中再次成为世界物理学的中心.
但日本也在积极争取成为直线加速器的新主人.新一代的加速器究竟会花落谁家呢?《自然》杂志的记者Geoff Brumifiel走进了费米实验室,看看它的希望有多大.
坐在自己的临时办公室里,今年60岁的物理学家Pier Oddone显得从容、自信.今年7月,他将掌管美国高能物理实验室的先锋——费米国家加速器实验室（简称费米实验室）.Oddone的到来正值实验室的多事之秋：实验室的大型加速器raison d'être已计划于今后5年内关闭.但他对实验室的未来持乐观态度.
最高的能量寻找最小的粒子
Oddone将成为实验室的第15任主任.费米实验室是美国最大的高能物理实验室,在世界上是仅次于欧洲粒子物理研究所的第二大实验室.1967年11月21日,美国总统林顿·约翰逊签署法案,授权美国原子能委员会成立国家加速器实验室.1974年5月11日,为纪念原子时代卓越的物理学家、1938年诺贝尔物理学奖获得者恩里科·费米,实验室改名为费米国家加速器实验室.实验室的目标是探索自然界最微小的部分——存在于原子中的世界,了解宇宙是如何形成和运转的,提高人类对物质和能量的基本属性的理解.
费米实验室位于伊利诺伊州大草原边上的巴达维亚,拥有2100多名政府雇员,年度预算为3.07亿美元.实验室分别于1977年6月和1995年2月发现了基本粒子和力标准模型中的两个主要部分：底夸克和顶夸克.1983年,实验室耗资1.2亿美元建造了迄今为止世界上能量最强的碰撞器Tevatron.2001年7月,物理学家在Tevatron上第一次直接观察到了τ中微子,从而开启了物理研究的一个新时代.但在未来3年里,Tevatron将被欧洲高能物理实验室一个能量更大的对撞机——大型强子加速器(Large Hadron Collider,LHC)所取代.美国政府计划在LHC启用时就关闭Tevatron,费米实验室面临一个非常不确定的未来.
由于环形电子对撞机向更高发展时遇到同步辐射能量损失随束能量的四次方增长的困难,因此,国际高能物理界达成共识：在LHC后,采用大型直线对撞机（International Linear Collider,简称ILC）作为新一代的高能物理对撞机.ILC是一个庞然大物,它将建造在总长达30多公里的地下隧道里,使用最新的超导技术以5000亿电子伏特的能量击碎电子,预计到2016年前后才可建成,造价高达60亿美元.正是因为直线对撞机昂贵又费时,全球只能建造一台.
大梦想亦是大风险
Oddone梦想让直线对撞机落户费米实验室.他希望通过与国际同行的努力,最迟于2010年底开始在费米实验室建造直线对撞机.他知道对撞机的建设需要科学界的合作、国际外交的协调和美国政府对巨额经费的承诺.这个计划是一场冒险,它既可让实验室恢复昔日的辉煌,也会因目标或未来的不确定性而让实验室飘忽不定.
物理学家们在1979年开始建造Tevatron时就是怀着这样一个大梦想,他们的目标是想确证顶夸克是否存在.夸克是构成质子、中子和其它亚原子粒子的基本元素,理论上它是由三种不带整电荷的更基本的粒子组成,顶夸克和底夸克是其中最重的粒子.费米实验室曾在1977年用环型加速器探测到底夸克的存在.寻找更重的顶夸克意味着要用5亿至15亿电子伏特的能量击碎质子或反质子,设计Tevatron的目的就是做这件事.通过进一步的改造,对撞机在1995年捕捉到了顶夸克.新发现让物理学家们欢呼雀跃,却让实验室的管理者们开始头痛：下一步该怎么办?
费米实验室并不是惟一遭遇两难处境的美国粒子物理实验室.诺贝尔奖获得者Burton Richter是位于加州的斯坦福直线加速器中心的荣誉退休主任,他在1992年时也遇到过类似的问题.当时,实验室有一台曾在1968年第一个探测到夸克的电子加速器,但这台加速器的改造已经走到了尽头,没有再发展的空间了.因此,Richter决定将加速器转变为高能的X射线源,供生物学家、化学家和材料学家确定分子和材料的结构.斯坦福直线加速器中心也开始了多样化的研究,步入了天体物理学、射线探测和宇宙学的领域.今天,斯坦福直线加速器中心欣欣向荣,年度预算稳定增加.
但费米实验室没有选择多样性.它曾在20世纪90年代决定将Tevatron升级为能量更高的加速器.这一次,他们的梦想是寻找希格斯粒子,如果理论学家的预言是正确的,那么这将有助于解释为什么宇宙中的万物都有质量.捕获希格斯粒子是费米实验室下一个伟大的梦想.
Tevatron最后一次升级花了政府数亿美元,工程于2001年完工.但老化的Tevatron的事件并没有因此完结：在过去几年中它的基础已经开始松动、下陷,一些旨在提高其能量的技术出现了意想不到的问题.今天,在经过艰难的4年后,情况变得基本稳定,但Tevatron失去了最佳时间,只有少数人相信欧洲高能物理实验室的机器在2008年启动前,希格斯粒子会在Tevatron上被发现.
这将实验室的处境置于地狱的边缘.当大型强子对撞机启动后,Tevatron将被关闭,从而让许多物理学家无所事事,Richter说：“这将他们置于特殊的境地,现在的问题是如何从这种境地中走出来.”
只有全力以赴 才能梦想成真
费米实验室可以选择类似斯坦福加速器中心的多样化.费米实验室已将自己的触角伸展到充满宇宙的不带电的微中子,但微中子的研究不足以维持实验室现有的水平.实验室的许多物理学家对实验室使命的改变不屑一顾.CDF的发言人、物理学家Young Kee Kim说：“多样化是最容易的解决方案,但最艰难的路才是最有意义的.”“从我的观点来看,我们或者成为美国的高能中心,或者失去能量的前沿地位.”
Oddone同意这种观点.他说：“国际直线对撞机是实验室目前最大的机会.”在美国能源部的帮助下,费米实验室将提高它的加速器和对撞机研究,以期作为获得新设备的强大承诺.Oddone说,如果事情进展顺利,因为使用直线对撞机探测希格斯等奇异的粒子,费米实验室在下个十年中将再次成为世界物理学的中心.
但是,这只是一个大胆的假设.建造直线对撞机所需要的国际合作规模异常艰难,这里面充斥着经费的超限运作、团队间的明争暗斗和国际政治问题.即使对撞机事业向前进了,但它未必一定落户美国.日本文部省的高能加速器研究中心(KEK)的常务主任说,日本正在全力以赴地希望将对撞机能安置KEK.
未来的不确定性让实验室难以留住尚在实验室的几千名访问科学家.实际上,Tevatron的两个主要探测器CDF和DZero的运作已经面临人手不足的困境.DZero的发言人Jerry Blazey说：“许多人都想走,或者已经走了,目前我们最重要的是坚持住.”
现状让费米实验室越来越难以吸引从事线性对撞机模型研究的专家.在实验室的咖啡厅坐坐,你会发现情况好像会变得更严重.费米实验室正在尽最大努力营造良好的气氛.一种权宜之计是建一个能够让美国的研究人员可实时监测他们在欧洲高能物理研究中心的实验.负责计算机中心建造的Avi Yagil说：“我们将可以看见在欧洲实验室的科学家们看见的数据.”
Oddone认为费米实验室有人才、知识和空间来建造下一代的加速器,但除非全力以赴,否则梦想不会成真.他说：“是的,这是一个巨大的风险,问题是我们寻找的答案也有巨大的意义.”