美国为何错失上帝粒子

　　文｜陈缮真 （中国科学院高能物理研究所特聘青年研究员）
　　一
　　1993年10月19日，对于全球的粒子物理学界来说，都算得上是一个遗憾的日子。这一天，一个已经开工建造、本可以造就一系列改写教科书的物理成果的科研项目——超导超级对撞机——继续推进的最后希望被扼杀了。然而，将它扼杀的并不是物理学家，而是美国国会众议院中那些并不真正理解这台机器存在意义的议员们。
　　1987年1月，仍然在冷战中的美国里根政府正式宣布批准了一个巨无霸式的科学研究项目——超导超级对撞机，这一项目不但有希望摘取物理学研究这棵科学巨树上的众多果实，也能向世界展现美国强大的基础科研能力，还能将全球粒子物理学研究的中心牢牢把控在美国。
　　项目被批准后，美国有一半的州参与到了这一巨大项目的选址竞争中来。次年11月，美国能源部最终在新任美国总统老布什的故乡——得克萨斯州画出了一个圈，宣告了超导超级对撞机的最终选址。1991年春天，用于安置超导超级对撞机的隧道的第一口竖井开始在沃克西哈奇的平原土地上动工挖掘。
　　此时冷战已接近尾声，美国一些议员的眼光开始移向外太空和空间站项目。对撞机项目动工之后，曾经支持过对撞机的国会以及那些曾经参与过项目选址竞争的州就开始对这一项目发难，质疑这台寻找＂看不见的粒子＂的机器究竟有什么用。
　　1992年6月，美国众议院投票第一次终止了对超导超级对撞机的支持。若想让超导超级对撞机的研究继续下去，只能寄希望于美国参议院一个多月后的投票，推翻众议院的判决。
　　当时的物理学界联合20多名诺贝尔奖得主以及全球2000多名物理学家，开始对参议院游说。所幸，参议院最终以大比例支持，推翻了众议院的＂死刑＂判决。
　　1993年6月，美国众议院投票第二次对超导超级对撞机进行＂死刑＂宣判，物理学界则再次集结多位诺贝尔奖得主集体呼吁，并送上了霍金为对撞机请愿的视频。3个月之后，参议院再次有惊无险地阻击了众议院的判决，超导超级对撞机第二次涉险过关。
　　终于，1993年10月19日，众议院挥向对撞机的＂铡刀＂第三次落下，而这一次，科学家没能再次力挽狂澜。10月底，时任美国总统克林顿正式签署了废除超导超级对撞机项目的法案。
　　二
　　这一天，对于1988年诺贝尔物理学奖得主、超导超级对撞机的主要推动者之一和项目发言人利昂·莱德曼来说，注定是一个落寞的日子，这意味着他多年来试图说服公众和议员们支持建设超导超级对撞机，以及向大家解释这台极具科幻色彩的巨大实验设备所要寻找的神秘粒子——＂上帝粒子＂究竟是什么的努力都付之东流了。
　　虽然建造用来寻找＂上帝粒子＂设备的愿望没能实现，但前后几年与议员和公众的拉扯让莱德曼认识到，对公众讲清楚那些晦涩难懂的知识的重要性。
　　他以身作则，对美国青少年的科学素养教育投入了巨大的精力。莱德曼向公众科普粒子物理学和＂上帝粒子＂的努力也成就了一本粒子物理学的＂奥德赛＂，这就是他于1993年出版的著作《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》（新译本为《上帝粒子：诺奖大师写给所有人的粒子物理趣史》，以下简称为《上帝粒子》）。
　　这是一部包罗万象、描述了人类对微观世界的探索从蒙昧走向现代的过程的科学发展史（这本书甚至介绍了2022年诺贝尔物理学奖的内容），也是在这个历史中留下了多处重要笔墨的莱德曼本人的自传。
　　莱德曼似乎并不想在书中掩饰他个人对其他科学家的好恶。作为实验物理学家的他，似乎有种自傲，他把理论家、实验家和科学发现的关系比喻成农夫、猪和块菌的关系：猪（实验家）能够努力地寻找块菌（科学发现），但当猪找到块菌的时候，农夫（理论家）却把块菌拿走了。
　　尽管如此，他对理论物理学家李政道似乎很有好感。他常和李政道去哥伦比亚大学附近的上海餐馆享用中国菜，并探讨物理和学术。同时，他又不掩饰对同为实验物理学家的丁肇中的偏见，以及当丁肇中拿到诺贝尔奖而他还没获得时的嫉妒心理。
　　《上帝粒子》一书在1993年成书之时，超导超级对撞机尚存一线生机。所以，书中莱德曼向他想象中的那个可以穿越时空的朋友德谟特利克发出邀请，请他于1995年和2005年分别回到巴达维亚和沃克西哈奇，去见证人类对微观世界认知的伟大进展。
　　如果德谟特利克在1995年回到巴达维亚，他会见证一个叫作＂顶夸克＂的粒子的发现，这也是粒子物理学目前所能认知的最后一种被称为＂夸克＂的粒子。当德谟特利克2005年回到沃克西哈奇时，他或许就会失望了，因为那里除了荒漠和废墟之外，什么都找不到。
　　不过，如果德谟特利克再晚回来几年，2012年7月来到日内瓦梅林镇，他会在巨大的困惑中发现，莱德曼在20年前所说的＂上帝粒子＂真的被发现了，只不过它是在另一个国家的一台完全不同的设备上被发现的。
　　三
　　科学的发展虽会遇到障碍，但历史的车轮总是向前的。粒子物理学发展的方向是全球粒子物理学家的共识，在科学最强国美国遇到了阻碍，会有其他地方的科学家站出来。
　　1994年，在美国国会终止了对超导超级对撞机的支持一年以后，欧洲核子研究中心各个成员国正式批准了建设寻找＂上帝粒子＂大型对撞机的计划。
　　如今，在日内瓦城的西北侧，有一条深埋在地下100米、27公里长的环形隧道，这条隧道里安放着的，就是人类迄今为止在地球表面建设的最宏大的基础科学研究设施——大型强子对撞机。也正是这台设施，在2012年发现了＂上帝粒子＂。
　　莱德曼虽然没能见到美国的超导超级对撞机，但有幸见到了欧洲的发现。同样幸运的，还有＂上帝粒子＂理论的提出者弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯，当＂上帝粒子＂被发现之时，他们的理论已经提出了48年。而＂上帝粒子＂理论的另一位提出者罗伯特·布绕特却没有那么幸运，就在＂上帝粒子＂被发现的前一年，他已因病离世。
　　＂找到＂预言中的＂上帝粒子＂绝不是终点，利用纯净的＂上帝粒子＂数据样本，对它的性质进行研究、寻找新理论的突破口是粒子物理学发展的下一步。
　　如今，科学发展已进入＂大科学＂时代，科学家通常会花几十年去寻找一个突破，同样也会以几个十年为尺度规划未来的发展路线。
　　美国粒子物理战略讨论会Snowmass（《上帝粒子》一书中译为＂斯诺马斯＂）差不多每十年召开一次，是面向全球粒子物理战略规划的大讨论。本书中描述了莱德曼在1982年Snowmass讨论会上提议建造＂基于‘已被证明的’超级磁铁技术的巨型加速器＂，也就是后来计划用于寻找＂上帝粒子＂的超导超级对撞机。
　　今年夏天——40年后，恰逢Snowmass讨论会再一次召开。美国粒子物理学界经历了超导超级对撞机的失败后元气大伤，粒子物理学研究中心也从美国移到了欧洲，但在今年的讨论会上，美国物理学家对于未来＂上帝粒子＂研究的态度仍是＂美国需参与任何一个实质性推进的正负电子希格斯工厂项目的建设＂。这里的＂正负电子希格斯工厂＂，就是能大量产生＂上帝粒子＂以供其性质研究的设备。
　　如今全球有四个较为成熟的＂正负电子希格斯工厂＂方案，两个在欧洲，一个在日本，另一个在粒子物理领域的后起之秀中国。
　　这些方案中规划的未来的对撞机都能大量产生较为纯净的＂上帝粒子＂，足以满足未来科学发展的需求，也获得了全球粒子物理学家的支持。因此，未来一定会有新的能够精确研究＂上帝粒子＂的设备出现，关于＂上帝粒子＂的讨论也会时不时地出现在公众视野中。
　　《上帝粒子》一书中提及的＂大科学＂和科学发展的讨论，以及美国超导超级对撞机的失败和欧洲大型强子对撞机的成功经验，会长久启发那些面向未来的科学家。