图:Markus Pössel 摄,2012 年林道诺贝尔奖得主大会 / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0
卡洛·鲁比亚
Carlo Rubbia1934–今 · 生于意大利戈里齐亚 · 意大利
把一台现成的加速器改造成对撞机,两年后从里面捞出了 W 和 Z
诺贝尔物理学奖 1984 对导致发现 W 与 Z 场粒子的大型项目的决定性贡献
1970 年代末,电弱理论已经预言了 W 和 Z 玻色子的质量:约 80 和 90 GeV。要造出它们,需要一台质心能量在几百 GeV 量级的机器,而当时世界上没有这样的机器,新建一台要十几年和一大笔钱。
鲁比亚的方案是:不新建,改造。
让同一个环跑两种粒子
1976 年,他与克莱因、麦金太尔提议把 CERN 已有的 SPS 加速器改成质子-反质子对撞机。妙处在于反质子与质子电荷相反:同一个磁铁环、同一套磁场,两束粒子可以沿相反方向同时运行,撞在一起。省下的是整座加速器。
拦路的是反质子。它们要靠质子打靶现产,出来时方向散乱、动量参差,攒不成一束密实的可用束流。
解决这个的是范德梅尔的随机冷却。 思路简单得漂亮:在环的一处测量束流偏离理想轨道的程度,把修正信号沿着圆的弦送到对面——弦比弧短,信号先于粒子到达——再给它一个恰到好处的踢。反复几百万次,一团散乱的反质子被慢慢「冷」成一束。
1981 年机器开始运行。1983 年 1 月,UA1 合作组报告了 W 玻色子的证据:几个事件里出现一个高横动量的电子,同时带着大量「丢失」的能量——那是逃逸的中微子。5 月,Z 玻色子以更干净的方式现身:一对不变质量约 95 GeV 的轻子。质量与电弱理论的预言相符(理论那一侧见本站「电弱统一理论」页)。
1984 年诺贝尔奖颁给鲁比亚与范德梅尔,距离发现只有一年,是诺奖历史上最快的一次之一。
他也翻过车
1976 年那次不太好看。 鲁比亚在费米实验室主持的中微子实验测量弱中性流,结论几度反复:先报告看到了,又报告没看到,再报告看到了。同行给他的实验起了个绰号叫「交替中性流」。
这件事的教训与他后来的成功其实是同一件事的两面:他推进得极快,而快意味着有时会在数据站稳之前先下结论。1983 年那次他没有再犯——W 的证据只有几个事件,他等到 UA2 独立看到相似的东西才发布。
他管理团队的方式在同行中同样有名,而不总是好名声:UA1 是当时规模空前的合作组,一百多人,他推动的强度让许多人吃不消。关于优先权与署名的争议持续了很多年。
之后
1989 至 1993 年他出任 CERN 总主任。任内 LEP 对撞机投入运行,把 Z 玻色子造出了上千万个,电弱理论的每一项参数被逐一精测;他也在这几年里为大型强子对撞机四处奔走,尽管正式立项是在他卸任之后。
他后来的兴趣转向了能源。 他推动过「能量放大器」——用加速器驱动的次临界钍反应堆,理论上不会失控、长寿命废料更少,但至今没有建成规模化装置;他也在意大利推动过太阳能热发电。这两条路都没有走到终点。
2013 年他被任命为意大利终身参议员。
从一个提议到两个粒子,中间隔了七年。那台被改造的机器今天还在运行——SPS 现在的工作,是给大型强子对撞机做注入器。
代表方程
电弱理论的硬预言
W 与 Z 的质量不是两个可以各自调的参数,它们被同一个混合角锁在一起。实验测出 W 约 80 GeV、Z 约 91 GeV,比值与理论符合——这不是拟合出来的一致,是理论先说、实验后验。