作者:王丹红 来源:科学时报 发布时间:2011-1-27 8:56:49
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《科学》:美国高能物理学走到十字路口
其唯一粒子对撞机Tevatron将于9月关闭

 
美国将于今年9月关闭粒子对撞机——万亿电子伏特加速器。
 
1月10日,美国能源部宣布因无力支付每年高达5000万美元的运行费用,将于今年9月关闭其唯一的粒子对撞机——万亿电子伏特加速器(Tevatron)。该粒子对撞机由位于伊利诺伊州的费米加速器实验室运行。
 
据最新出版的《科学》杂志报道,费米国家加速器实验室是美国最后一个致力于粒子物理实验的实验室,科学家们估计,由该实验室运行的万亿电子伏特加速器有望于2012年探测到“上帝粒子”——希格斯玻色子。如今,寻找希格斯玻色子的任务落在了欧洲的大型强子对撞机(LHC)上。
 
美国能源部的新决定让部分科学家松了一口气,因为这为其他新项目提供了新机会,但美国的粒子物理学家们却忧心忡忡:美国高能物理学今后的路该怎么走?
 
《纽约时报》在一篇题为《万亿电子伏特加速器》的社论文章中指出,物理学是一个国际合作的事业,费米国家实验室仍然是来自世界各地的科学家的家,许多实验还将在这里进行。然而,目睹美国高能粒子物理学一个时代的结束,仍令人伤感、惋惜。
 
高能物理之路一波三折
 
不久之前,美国的粒子物理学家们制定了美国粒子物理未来10年的路线图,但是,该项目却因官僚障碍、耽搁和不可预见的费用而受到重创。能源部每年用8.1亿美元的经费支持高能物理研究,现在,部分观察家担心能源部是否有能力支持这个路线图项目。
 
费米国家加速器实验室创建于1967年,隶属于能源部,位于伊利诺伊州巴达维亚附近的草原上。从1983年开始,实验室的科学家们一直在用万亿电子伏特加速器创建亚原子粒子间的撞碰,他们希望这些神奇的碰撞轨迹有助于他们揭示出物质的基本构成,1995年,他们发现了一个基本粒子——顶夸克,他们最终的目标是发现希格斯玻色子。4年前,他们经历了一场危机。与欧洲粒子物理实验室的大型强子对撞机相比,费米实验室的万亿电子伏特加速器已经逊色,他们希望建造能量更大的机器,如国际直线加速器(ILC)。
 
然而,2007年2月,当物理学家们估计国际直线加速器的费用至少为70亿美元时,能源部官员感到极为不快。在被告知这台对撞机要到2020年中期才能建成时,能源部要求物理学家们提出雄心不宜太大的新项目。
 
在2008年5月提交的报告中,物理学家们提出了由能源部资助的粒子物理学研究的三个方向。第一个名为“能源前沿”,允许美国科学家参与大型强子对撞机,费米实验室将其重点转向“强度前沿”,用新的质子加速器产生质子和其他粒子,并以精确的细节研究它们。与此同时,粒子物理学家将加入到宇宙学家和天体物理学家之列,探索“宇宙前沿”,探索神奇的暗物质和让空间膨胀的暗能量。
 
这个新方案实际上规划了万亿电子伏特加速器关闭后美国高能物理的发展蓝图。能源部官员也重申,即使因预算原因不能让万亿电子伏特加速器运行到2014年,能源部也会支持这个领域的发展。
 
但是,最近围绕两个最大项目所出现的问题给能源部的路线图画上了问号。特别是发生在国家科学基金会(NSF)的争执影响到了费米实验室对中微子的新研究。
 
费米实验室的科学家们已经在实验中研究了“中微子振荡”,探测中微子的实验已在建造之中,目标是确定描述中微子振荡的最后参数。从2013年开始,由180位研究人员组成的团队将开始在明尼苏达的一个探测器上开始新中微子实验。
 
与此同时,费米实验室的研究人员们希望建造新项目的核心设施。这是一台名为长基线中微子实验的质子探测器,重量达20万吨,耗资均18亿美元,它所产生的中微子射线将是目前中微子射线强度的3倍。长基线中微子实验将对比中微子和反中微子,寻找二者的不同,以解决为什么宇宙包含如此之多的物质、如此之少的反物质。
 
长基线中微子实验将落户耗资8.75亿美元的深地科学工程实验室(DUSEL),研究人员希望国家科学基金会将这个实验室建在南达科他州的一座废弃金矿中。美国国家科学委员会负责制定国家科学基金会的政策,2010年12月,国家科学委员会拒绝了国家科学基金会的需求,即提供2900万美元完成DUSEL的最后设计,反对国家科学基金会在实验室基础设施建造上花费4.8亿美元的计划。
 
费米国家实验室执行副主任Young-Kee Kim说,能源部和国家科学基金会正在商量分摊成本的新方法。她表示,费米实验室不打算在万亿电子伏特加速器关闭后让它1900多名员工中的任何一个人离岗,但如果未来的旗舰项目出现明显拖延,情况可能会有所变化。
 
宇宙前沿研究遇障碍
 
宇宙前沿大项目也遇到了麻烦。
 
1998年,两组科学家希望通过研究一颗名为Ia型超新星的恒星爆炸来解决宇宙的膨胀,进而发现宇宙的膨胀一直在加速。这一发现显示,部分暗能量在拓展空间。劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家索·珀尔玛特是其中一个小组的负责人,他认为探讨这些问题的研究人员需要一个专用太空望远镜来瞄准超新星,并以其他方式寻找暗能量。1999年,他的研究小组向能源部提出建议:投资6亿美元建造超新星加速探测器。2003年,这个太空望远镜建议被纳入联合暗能量计划,这是与美国宇航局(NASA)联合的耗资10亿美元的项目。
 
2010年8月,当国家科学院的一个委员会将这个项目列为未来十年中最值得期待的空间科学设施时,人们都认为它即将启动。但委员会的最后建议是将这个项目与另外两个需要相似技术能力的项目合并,并将之命名为广域野红外线巡天望远镜(WFIRST)。然而,3个月后,当NASA的官员发现另一个新太空望远镜项目——詹姆斯-韦伯太空望远镜的经费从51亿美元膨胀到68亿美元时,广域野红外线巡天望远镜受到了重创。
 
在巨大的预算危机下,NASA组织了一个“科学定义小组”,希望能提出更有支付能力的建议。科学定义小组负责人是科罗拉多大学的詹姆士·格林,小组希望将新计划的费用降到10亿美元以下。
 
物理学家仍须努力
 
当费米实验室的万亿电子伏特加速器关闭后,寻找希格斯玻色子的工作将由欧洲的大型强子对撞机独自承担。大型强子对撞机的设计能量是万亿电子伏特加速器的7倍,在此之前,这两台对撞机一直在竞争最先发现希格斯玻色子的存在,希格斯玻色子是一种预言的粒子,确定它的存在有助于澄清和确证目前的粒子物理学理论。
 
部分人士担心,如果美国国内的粒子物理学衰落了,美国加入欧洲的大型强子对撞机实验是一个风险。科学家们表示,当美国同意为耗资55亿美元的大型强子对撞机提供5.31亿美元的硬件而获得进入权时,美国占了一个便宜。今天,美国的2800多位实验物理学家中有1200多位正在大型强子对撞机的4个粒子探测器上工作,他们的工作有可能探测到像希格斯玻色子这样的新粒子,这曾是费米实验室的物理学家们希望在万亿电子伏特加速器上实现的梦想。
 
现在,物理学家们担心,如果所有的工作都转移到欧洲,那么美国的立法者们可能会失去对粒子物理学的兴趣。他们会问:国会有责任资助基于欧洲的高能物理项目吗?
 
2010年12月,意大利政府宣布将投资5.2亿美元建造正负对撞机,其中价值1.7亿美元的设备来自美国斯坦福直线加速器中心作废的设备。《科学》的文章指出,如果美国的研究人员希望不仅仅是向项目捐赠仪器,那么能源部就应当筹集几百万美元,资助他们提出的任何实验。
 
文章最后指出,没有人希望在万亿电子伏特加速器关闭后,美国的物理学家们会到芝加哥去开出租车,但他们确实应该通过政治努力来帮助自己继续走在科学发现的道路上。
 
《科学时报》 (2011-1-27 A4 国际) 
  
 
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