建加速器有新思路？CERN前任所长北京推销mu子对撞机

鲁比亚的mu子对撞机也许给我们提供了建设加速器的新思路。

2016年1月6日，北京。

天空湛蓝，没有雾霾。

在北京城的西郊，靠近八宝山革命烈士陵园的地方，有一个中科院高能物理研究所，这里举行着一场关于mu子对撞机的讲座，讲座的主持人是陈和生院士。

讲演者是一位意大利人，看上去高大魁梧。他叫鲁比亚(Carlo Rubbia)，是欧洲核子研究中心（CERN）前任所长，一个非常强势的高能物理领域的领导人。他曾在强大的压力下推动质子与反质子的对撞试验，从而发现了传递弱相互作用的W与Z粒子。

鲁比亚在讲座中，张轩中供图

1934年，鲁比亚出生在意大利北部，他的父亲是本地一家电器公司的电器技师，母亲是一名小学教师。鲁比亚在比萨斜塔附近的一个大学里完成了大学学业，当时他的本科毕业论文是关于宇宙线的实验。1958年，鲁比亚到美国学习粒子加速器实验技术，在纽约的哥伦比亚大学度过了一年半的时间。1960年，他回到欧洲，被聘为罗马大学副教授，第二年加盟了欧洲核子研究中心。

几年以后，高大魁梧的鲁比亚在欧洲核子中心站稳了脚跟，他开始巩固自己的地位，这里面有一系列的政治技巧其实是类似于《芈月传》的。在整个60年代，鲁比亚在美国与欧洲之间来回穿梭，他提高了自己的学术声望，经常到美国的费米实验室参与工作。1972年，他成为哈佛大学教授，这时候他已经彻底混出来了。

当时的欧洲核子研究中心有一个正在运行的加速器项目叫SPS(Super Proton Synchrotron)，是一个环状的超级质子加速器，但并非对撞机。(对撞机的能量损失小，能量的利用效率最高，就好像两辆运动的汽车迎面相撞，相比于运动的汽车与静止的汽车相撞，前者的杀伤力更大)。这个时候，鲁比亚提出了修改意见：“把它改造成一个质子与反质子的对撞机吧。”

对这种大型设备的改造，阻力是很大的，鲁比亚顶住了压力——当时欧洲核子研究中心的所长(SPS之父)与管理人都强烈反对鲁比亚的建议，因为SPS在那会儿还是一个婴儿，而鲁比亚居然要给这个婴儿做大手术，这当然是不能被容忍的。

同时，欧洲核子研究中心的大部分机械专家也都认为鲁比亚的改造方案是几乎很难成功的。

鲁比亚陷入了孤立的境地。

但是，1977年，荷兰一位叫范德梅尔(Simon van der Meer)的物理学家与鲁比亚站在了一起，他们俩像推土机一样推进了SPS的改造计划，一台质子-反质子对撞机开始浮出水面。

他们计划用这台大家伙去发现W与Z粒子。范德梅尔计算了一下，要发现10个W或者Z粒子，需要质子与反质子发生10亿次碰撞，这个数据就太大了，比男人一次射精的精子数还要多一些呢。

W与Z粒子是传递弱相互作用的基本粒子。除引力以外，基本粒子之间的相互作用还包括弱相互作用、强相互作用以及电磁相互作用。当时鲁比亚提倡的质子—反质子碰撞实验第一次发现了W与Z粒子，使他与范德梅尔一起得到了1984年的诺贝尔物理学奖。发现W与Z粒子是高能物理的第一大进展。

虽然鲁比亚的成名作是在质子对撞这个领域，但随着岁月的流逝，最近几年欧洲核子研究中心又有了第二大重要进展——发现希格斯粒子。对于希格斯粒子各种性质的详细探索一直在召唤物理学家们提出一种廉价的“希格斯工厂”的技术方案。

鲁比亚对此也有了新的想法。

在昨天的讲座中，鲁比亚建议建造一种大型的mu子对撞机。mu子与电子一样都是三类轻子中的一类，是电子的二师兄，电子的大师兄叫做tau子。因为mu子的质量是电子的200倍左右，所以mu子与mu子相互对撞产生希格斯粒子的概率比电子与电子对撞产生希格斯粒子的概率大很多(术语叫做“mu子mu子反应产生希格斯粒子的截面很大”。在s道衰变中，mu子mu子对撞产生希格斯粒子的截面是41pb，这是蛮大的。所谓s道是一种产生新粒子的道路，因为量子的世界里有很多其他的道路，精确计算需要用到费曼图)。正因为mu子有这个特点，所以它适合做产生希格斯粒子的源材料。

鲁比亚同时指出，mu子可以通过质子打靶产生，其主要过程是质子打靶产生Pi介子，Pi介子衰变产生mu子。

鲁比亚讲座PPT之一，张轩中供图

鲁比亚提出的技术方案与最近《赛先生》等媒体上争论的中国到底是不是应该建造大型电子电子对撞机(LEP)以及大型质子质子对撞机(LHC)的方案是不同的。对于中国版的LHC到底路在何方，“蝌蚪五线谱”也曾做过相关的独家专访。

鲁比亚的mu子对撞机也许给我们提供了新的思路。

鲁比亚认为，mu子对撞机有很多优点，因为mu子与质子不一样，mu子不会产生强相互作用，所以在相互对撞的过程中产生的信号会干净很多，因此其数据更容易被提炼分析。

而且，mu子在做圆周运动的过程中，与电子也不一样，mu子产生的同步辐射更小，因此其能量损失要小很多。电子的同步辐射会消耗电子在高速运动中的大量能量，这使制造高能电子加速器十分困难。所谓“同步辐射”一般是一种x光，类似于把洗好的衣服用力甩干的时候甩出来的水，浪费大量能量。

鲁比亚在讲座中说，现在的大型对撞机，无论是什么形式的，一般都需要有大概1/4个世纪也就是25年左右的建设时间，也需要有100亿美元级别左右的投资。中国人正在激辩，到底中国是不是应该建设大型对撞机，他作为曾经在欧洲核子研究中心担任领导人的物理学家，也正在全球范围内推销他的mu子对撞机理论。

他声称，他的mu子对撞机的费用只有质子对撞机费用的1/10。

当然，中国物理学家应有自己的判断。总体上来说，建设mu子对撞机的关键在于有一个很好的mu子源，理论上需要每秒能产生10^14个mu子(实际目前我们能做到的大概只有每秒10^8个)，这种高亮度的mu子源也许是有一定技术风险的。因此，对于鲁比亚的技术方案，还需要进一步的严谨讨论。

*本文作者张轩中，为著名科普作家，毕业于北京师范大学理论物理专业，代表作《日出：量子力学与相对论》。

*本文首发于“蝌蚪五线谱”（戳“阅读原文”可见），《赛先生》经作者授权转载，转载时有部分文字改动。其他媒体转载请联系zhanghua@kedo.gov.cn授权。

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