Tevatron粒子加速器【Tevatron粒子加速器】费米实验室是美国最大的高能物理研究实验室
Tevatron粒子加速器费米实验室是美国最大的高能物理研究实验室，根据美国总统林登·詹森1967年11月21日签署的法案建立，由美国大学研究协会负责运行，受联邦政府能源部管辖 。创建实验室的目的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行的，提高人类对物质和能量基本属性的认识 。为了开展高能物理前沿和相关学科的研究，费米实验室需要建造和运行大型科学设施——加速器，它最着名的加速器就是Tevatron 。建造1983年8月，Tevatron项目在芝加哥郊外的大草原上破土动工，当时计画耗资1.2亿美元建成世界上最强的粒子加速器——质子和反质子对撞机，6.28公里长的圆形加速器轨道由1000多个超导磁铁构成，它们将质子和反质子按相反方向在真空管中加速到光速的99.99999954%，然后在两个5000吨的探测器中对撞，这种接近光速的高能量碰撞产生了大量全新的亚原子粒子，然后很快衰变 。科学家们通过分析这些碰撞“碎片”来探究物质的结构、空间和时间 。
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Tevatron粒子加速器历史自从1985年2月13日记录下第一次碰撞以来，物理学家们在Tevatron上取得了许多重要成果 。9月30日，高能物理学家将关闭位于美国伊利诺州巴达维亚费米国家加速器实验室的万亿电子伏特加速器（Tevatron） 。作为这个国家最大的粒子加速器，Tevatron始建于1983年8月，在1/4世纪里，它君临天下，是世界能量最强的原子对撞机 。直到一年半前，欧洲大型强子对撞机（LHC）启用，它才屈居第二 。发现顶夸克从顶夸克的发现、W玻色子质量的精确测量到陶中微子的发现，物理学家在Tevatron上取得过许多重要成果 。《科学》杂誌的文章指出，2011年9月的最后一个星期，当物理学家们聚集在费米实验室回顾Tevatron的传奇历史时，他们会说，它产生过许多杰出的成就，但没有突破性的发现让物理学家们能够重新思考标準模型中的基本粒子和力 。普林斯顿高等研究中心的理论物理学家保罗·兰格克尔表示：“它是一个相当可靠的设施，它没有产生出大的、意料之外的结果，它发挥了自己的作用 。”回顾28年的历史，《科学》的文章指出，Tevatron最大的成就是碰撞出一个名为“顶夸克”的粒子 。1995年3月3日，费米实验室宣布发现顶夸克，这一发现成为世界各大媒体的头条新闻，它是在两个探测器上工作的物理学家的共同胜利，当时，在每个探测器上工作的物理学家大约有450多位 。顶夸克是物质组成的第6种基本粒子，它的发现在物理学上有重要意义 。但也有科学家质疑顶夸克的发现是否配得上科学界的最高荣誉——诺贝尔奖 。早在1973年，日本物理学家小林诚和益川敏英已经预言在上下夸克之处有第三种夸克的存在；1975年，以色列理论学家哈伊姆·哈拉里将这两个假想粒子命名为顶、底夸克 。密西根大学的理论物理学家戈登·凯恩说：“每个人都知道顶夸克的事 。”因为顶夸克的发现，小林诚和益川敏英获得了2008年的诺贝尔物理学奖 。即使那些认为顶夸克的发现应该获诺贝尔奖的科学家也表示，对这一发现授奖有困难，因为这是一个大型实验合作项目，很难确定谁该获奖 。理应更出色在顶夸克之外，在Tevatron上的实验还证实和充实了标準模型，比如它的探测器精确地测量了W玻色子的质量，这个参数限制了标準模型预言的最后一个尚未在实验中被观察到的基本粒子——希格斯玻色子的质量 。希格斯玻色子被喻为上帝的粒子，它是物理学家解释所有基本粒子质量的关键 。顶夸克被发现后，粒子物理学模型所预言的61个基本粒子中的60个均得到了实验的支持与验证，捕获希格斯粒子成为费米实验室的一个伟大梦想 。在花了数亿美元后，Tevatron的最后一次升级于2001年完成，经过艰苦的努力，物理学家们没有在Tevatron上发现希格斯粒子，而欧洲大型强子对撞机的启用使得Tevatron被迫关闭 。费米国家加速器实验室第一任主任罗伯特·威尔逊为实验室制定的原则是：杰出的科学、艺术的瑰丽、土地的守护神、经费上的精打细算和机会等 。高能物理学家们认为，Tevatron本身就是一项开创性成就 。它是世界上第一个使用超导磁铁的加速器 。在Tevatron的早期，欧洲粒子物理学实验室CERN的物理学家林恩·埃文斯曾在那里工作，他后来指导了CERN的大型强子对撞机的建造，他说：“在Tevatron，我学会了如何建造超导设备 。如果愿意，你可说Tevatron是大型强子对撞机的原型 。”也有科学家对Tevatron和费米实验室提出批评意见 。凯恩就认为，费米实验室应该作出比发现顶夸克更大的成就：发现W玻色子和Z玻色子 。物理学家们在20世纪60年代预言，像光子携带电磁力一样，这些基本粒子能够传送弱核力 。1983年，CERN的物理学家们在超级质子同步加速器上发现了W玻色子和Z玻色子，1年后，因这一发现，物理学家卡洛·鲁比亚和西蒙·范德梅尔分享1984年的诺贝尔物理学奖 。然而，早在1976年，鲁比亚和两位同事就建议费米实验室用Tevatron的前身寻找W玻色子和Z玻色子 。实验室的领导拒绝了这一建议，但埃文斯认为，当时的条件不足以实现这个目标，费米实验室的官员正在推进Tevatron的建造，实验室官员们的决定是正确的，“如果他们不决定建Tevatron，我并不认为顶夸克会被发现” 。希格斯玻色子的信号美国“万亿伏特粒子加速器”(Tevatron)项目的科学家们近日暗示他们在数据中发现了多个疑似希格斯玻色子的信号，其质量数大致和欧洲大型强子对撞机(LHC)获得的结果相同 。这一发现增加了这样一种说法的份量，那就是希格斯粒子可能存在于125吉电子伏特质量数四周 。这种神秘粒子被认为赋予了所有其它粒子以质量 。然而，这些新的数据自己仍然不足以从统计学角度上增加这项发现的可靠性 。目前研究人员们已经将他们的结果在近日于义大利举行的物理会议上公布 。“万亿伏特粒子加速器”(Tevatron)隶属于美国费米国家实验室，它在长达20年内一直占据着全球最强大粒子加速器的位置，可是在2011年却因为延长其资金拨款的谈判失败而被迫停止运行 。然而和所有其它粒子加速器一样，Tevatron在其运行过程期间已经积累下海量的数据需要阐明 。最新的数据暗示希格斯粒子可能存在于115~135 GeV之间，置信度为2.2Σ 。这一数值是质子质量的120~140倍，质子是原子核的基本组成部门，它存在于每一种原子的原子核内 。在物理学上，这种置信度就意味着有1/36的几率这种信号是一个误报或者噪音，这一数字是远远低于5Σ这个被视作可宣布为“正式发现”的物理学黄金尺度的 。然而让这一发现更加显出其重要意义的一件事情在于，儘管两者採取的体例截然有异，可是欧洲的大型强子对撞机同样在其数据中找到一个峰值，而且这个峰值泛起的质量位置恰好和Tevatron的结果很是接近 。LHC的做法是将质子进行对撞，而Tevatron则使用质子和它们的反物质粒子，即反质子进行对撞 。这两项实验的目的都是想通过观察这些高能粒子在衰变后的情况来搜寻希格斯粒子的蹤迹 。在Tevatron，这些数据是由底夸克和它的反物质伙伴——反底夸克对撞发生的，而在LHC，主要的探测目标则是对撞时发生的光子 。鲍勃.罗瑟(Rob Roser)说：“这是一台不合的加速器，不合的探测器，不合的衰变过程 。”鲍勃是CDF探测器项目的讲话人，这是安装在Tevatron设备上的两台主要探测器之一 。他告诉BBC采访人员说：“它正在让图像变得清晰起来，让事情变得更加有说服力 。可是我们还没有到达我们期望的那样自信 。”他说：“我只是希望我们两家中至少有哪一家能有更多的数据，这真让人沮丧 。”而在LHC，两台安装在其中的主要探测器——CMS和Atlas同样在周三举行的会议上述说了他们的进展，可是相比去年他们述说的内容，今年这一次的述说中仅仅提供了些许更进一步的数据 。可是这一切的艰难困境在今年下半年将会被一网打尽，因为科学家们计画今年将获得相当于2011年全年3倍的数据量 。然而，近期对Atlas数据进行的阐明结果已经排除122.5 GeV以上区间的可能性 。Tevatron的数据则帮忙科学家们排除质量跨越147-179 GeV的情形，这一数据同样和LHC的结果相当吻合 。正如先前所言的那样，如果希格斯玻色子真的存在，那幺它可能存在的规模已经被缩小了 。托尼.魏伯格(Tony Weidberg)是一位牛津大学的物理学家，他在LHC的Atlas探测器项目工作，他说Tevatron的探测结果合适一种“较轻”的希格斯玻色子的构想 。他告诉BBC采访人员说：“这很有趣，因为这是另一个小小暗示 。它暗示我们到今年年底时将有可能发现这种粒子，而不是宣布排除这种可能性 。”他说： “证据就隐藏在LHC的数据中，我们今年就将找到它；到今年年底，我们将走出模糊和不确定，获得清晰的证实或排除的结果 。对我来说，不管结果如何，这两个结果中其中任意一个简直认都将让人兴奋不已 。”