费米实验室
费米实验室费米国家加速器实验室（Fermilab），以1938年诺贝尔物理学奖得主恩利克·费米（Enrico Fermi）的名字命名。始建立于1967年，费米实验室是美国最重要的物理学研究中心之一，位于美国伊利诺斯州巴达维亚附近的草原上。它官方上属于美国能源部，但也隶属于芝加哥大学（University of Chicago）和大学研究协会（URA），并由这两个机构负责其运作，其中URA由90所研究型大学组成，2021年实验室有2000名雇员。费米实验室最为知名的是它的Tevatron质子/反质子加速器，是2021年世界上能量输出第二高的粒子加速器，能将质子加速到接近光速，帮助科学家探索物质、空间和时间的奥秘。 2021年4月，美国能源部下属费米实验室公布了关于缪子反常磁矩测量的第一批实验结果，显示基本粒子缪子的行为和标准模型理论预测不相符。
目录
历史发展
费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory，缩写为Fermilab或FNAL），简称费米实验室，是隶属于美国能源部的一所美国国家实验室，位于美国伊利诺伊斯州巴达维亚附近的草原上。 实验室成立于1967年，原名为“国家加速器实验室”，主要研究领域为高能物理学、粒子物理学。第一任所长是罗伯特·R·威尔逊(Robert R.Wilson)。实验室的原则是杰出的科学、艺术的瑰丽、土地的守护神、经费上精打细算和机会均等。1974年为纪念美国物理学家恩里科·费米而更名为“费米国家加速器实验室”。 费米实验室拥有世界上运行能量第二高的质子-反质子对撞机Tevatron（980GeV×980GeV），附属有两大探测器CDF和D∅。2008年9月欧洲粒子物理研究中心建成的大型强子对撞机，设计可产生七倍于费米实验室记录的能量。 1995年3月2日，费米实验室宣布在兆电子伏特加速器上发现了第六种夸克——顶夸克。
主要人物
费米，意大利人。美国物理学家费米无疑是自枷利略以来最伟大的意大利科学家，是1925-1950年间世界上最富创造性的物理学家之一。费米由于“发现新的放射性物质和发现慢中子的选择能力” 而荣获1938年诺贝尔物理学奖。 1901年9月29日，费米出生于罗马。费米资质聪明，心性敏捷，早年就已显露才华，因而在1918年被获准进入比萨的师范学校，他后来在比萨大学完成学业，于1924年获得哲学博士学位。他在格丁根和莱顿度过一段时间之后回到意大利，被任命为罗马大学物理学教授，这无疑是由于他已经发表了大约30篇重要论文而建立起来的名声和那时意大利最杰出的物理学家、参议员柯比诺的支持。 费米以出版意大利第一本现代物理学教科书《原子物理学导论》作为开端，他的名声很快就把意大利年轻物理学者中的佼佼者吸引到他的周围。但意大利法西斯主义的嚣张导致意大利科学天才的流失。到1938年，费米由于妻子是犹太人，被迫移居美国。费米在离开意大利之前，在罗马期间就已经是一位惊人的高产科学家，在理论和实验领域都已作出重要贡献。他的实验工作出自于试图推进约里奥-居里夫妇的成果，约里奥-居里夫妇在1 934年已经指出，用氦核（α粒子）轰击硼和铝会产生人工放射性同位元素。费米想到，1932年詹姆斯-查德威克发现的中子也许是一种创造新同位素的更好工具。中子虽然比α粒子质量小，但中子不带电，这使它能克服一个靶核的正电荷而不消耗中子的能量。 费米报告说，1934年他偶然冲动地在中子源和靶子之间插入了石蜡，放在入射中子的前面。结果使激活强度增加几十到几百倍。这就是费偶然发现的慢中子现象。 慢中子的产生，后来在民用和军用的核能领域具有深远的影响。然而费米的直接任务是用慢中子照射尽可能多的元素，生产和研究大量新创造的放射性同位素和其性质。 费米和他的同事在系统照射各种元素的过程中，自然用慢中子轰击过铀。这就必然会导致核裂变，费米把正在产生的超铀元素称之为“ausoninum”和“hesperium”。1938年奥托-弗里施和莉泽-迈特纳首先看到，在这样的反应中，核裂变正在发生。在理论方面，费米在罗马时的主要成就在他的β衰变理论。这是不稳定核中的过程，在这个过程中，一个中子转化为一个质子，并发射一个电子和一个反中微子。费米作出了一个详尽的分析，在科学中引入一种新的力，即所谓“弱”力。 费米到了美国后，热衷于试图创造一种可以控制的链式核反应。1942年他成功地在芝加哥大学的运动场斯塔格广场上建立起第一座原子堆。他和同事们用纯石墨作为减速剂，减慢中子速度，以丰富的铀作为可裂变物质，开始建立反应堆。1942年12月2日下午2点20分，费米的反应堆进入临界状态，支持一种自持链式反应28分钟，原子时代开始了。 1945年7月，当第一颗试验原子弹在新墨西哥州沙漠爆炸时，他也在现场。据说当风暴刮到他面前时，他丢下了一些纸屑，根据这些纸屑的位移，计算出原子弹相当于1万吨三硝基甲苯炸药 （TNT）的威力。 战后，费米任芝加哥大学物理学教授，一直到他因癌症去世。[1]
历史发展
费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory，缩写为Fermilab或FNAL），简称费米实验室，是隶属于美国能源部的一所美国国家实验室，位于美国伊利诺伊斯州巴达维亚附近的草原上。 实验室成立于1967年，原名为“国家加速器实验室”，主要研究领域为高能物理学、粒子物理学。第一任所长是罗伯特·R·威尔逊(Robert R.Wilson)。实验室的原则是杰出的科学、艺术的瑰丽、土地的守护神、经费上精打细算和机会均等。1974年为纪念美国物理学家恩里科·费米而更名为“费米国家加速器实验室”。 费米实验室拥有世界上运行能量第二高的质子-反质子对撞机Tevatron（980GeV×980GeV），附属有两大探测器CDF和D∅。2008年9月欧洲粒子物理研究中心建成的大型强子对撞机，设计可产生七倍于费米实验室记录的能量。 1995年3月2日，费米实验室宣布在兆电子伏特加速器上发现了第六种夸克——顶夸克。 [2]
性质
最高的能量寻找最小的粒子Oddone将成为实验室的第15任主任。费米实验室是美国最大的高能物理实验室，在世界上是仅次于欧洲粒子物理研究所的第二大实验室。1967年11月21日，美国总统林顿·约翰逊签署法案，授权美国原子能委员会成立国家加速器实验室。1974年5月11日，为纪念原子时代卓越的物理学家、1938年诺贝尔物理学奖获得者恩里科·费米，实验室改名为费米国家加速器实验室。实验室的目标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转的，提高人类对物质和能量的基本属性的理解。
形成
费米实验室位于伊利诺伊州大草原边上的巴达维亚，拥有2100多名政府雇员，年度预算为3.07亿美元。实验室分别于1977年6月和1995年2月发现了基本粒子和力标准模型中的两个主要部分：底夸克和顶夸克。1983年，实验室耗资1.2亿美元建造了迄今为止世界上能量最强的碰撞器Tevatron。2001年7月，物理学家在Tevatron上第一次直接观察到了τ中微子，从而开启了物理研究的一个新时代。但在未来3年里，Tevatron将被欧洲高能物理实验室一个能量更大的对撞机——大型强子加速器(Large Hadron Collider，LHC)所取代。美国政府计划在LHC启用时就关闭Tevatron，费米实验室面临一个非常不确定的未来。 由于环形电子对撞机向更高发展时遇到同步辐射能量损失随束能量的四次方增长的困难，因此，国际高能物理界达成共识：在LHC后，采用大型直线对撞机（International Linear Collider，简称ILC）作为新一代的高能物理对撞机。ILC是一个庞然大物，它将建造在总长达30多公里的地下隧道里，使用最新的超导技术以5000亿电子伏特的能量击碎电子，预计到2016年前后才可建成，造价高达60亿美元。正是因为直线对撞机昂贵又费时，全球只能建造一台。
风险
Oddone梦想让直线对撞机落户费米实验室。他希望通过与国际同行的努力，最迟于2010年底开始在费米实验室建造直线对撞机。他知道对撞机的建设需要科学界的合作、国际外交的协调和美国政府对巨额经费的承诺。这个计划是一场冒险，它既可让实验室恢复昔日的辉煌，也会因目标或未来的不确定性而让实验室飘忽不定。 物理学家们在1979年开始建造Tevatron时就是怀着这样一个大梦想，他们的目标是想确证顶夸克是否存在。夸克是构成质子、中子和其它亚原子粒子的基本元素，理论上它是由三种不带整电荷的更基本的粒子组成，顶夸克和底夸克是其中最重的粒子。费米实验室曾在1977年用环型加速器探测到底夸克的存在。寻找更重的顶夸克意味着要用5亿至15亿电子伏特的能量击碎质子或反质子，设计Tevatron的目的就是做这件事。通过进一步的改造，对撞机在1995年捕捉到了顶夸克。新发现让物理学家们欢呼雀跃，却让实验室的管理者们开始头痛。 费米实验室并不是惟一遭遇两难处境的美国粒子物理实验室。诺贝尔奖获得者Burton Richter是位于加州的斯坦福直线加速器中心的荣誉退休主任，他在1992年时也遇到过类似的问题。当时，实验室有一台曾在1968年第一个探测到夸克的电子加速器，但这台加速器的改造已经走到了尽头，没有再发展的空间了。因此，Richter决定将加速器转变为高能的X射线源，供生物学家、化学家和材料学家确定分子和材料的结构。斯坦福直线加速器中心也开始了多样化的研究，步入了天体物理学、射线探测和宇宙学的领域。2021年，斯坦福直线加速器中心欣欣向荣，年度预算稳定增加。
但费米实验室没有选择多样性。它曾在20世纪90年代决定将Tevatron升级为能量更高的加速器。这一次，他们的梦想是寻找希格斯粒子，如果理论学家的预言是正确的，那么这将有助于解释为什么宇宙中的万物都有质量。捕获希格斯粒子是费米实验室下一个伟大的梦想。 Tevatron最后一次升级花了政府数亿美元，工程于2001年完工。但老化的Tevatron的事件并没有因此完结：在过去几年中它的基础已经开始松动、下陷，一些旨在提高其能量的技术出现了意想不到的问题。2021年，在经过艰难的4年后，情况变得基本稳定，但Tevatron失去了最佳时间，只有少数人相信欧洲高能物理实验室的机器在2008年启动前，希格斯粒子会在Tevatron上被发现。 这将实验室的处境置于地狱的边缘。当大型强子对撞机启动后，Tevatron将被关闭，从而让许多物理学家无所事事，Richter说：“这将他们置于特殊的境地，2021年的问题是如何从这种境地中走出来。”
多样化
费米实验室可以选择类似斯坦福加速器中心的多样化。费米实验室已将自己的触角伸展到充满宇宙的不带电的微中子，但微中子的研究不足以维持实验室现有的水平。实验室的许多物理学家对实验室使命的改变不屑一顾。CDF的发言人、物理学家Young Kee Kim说：“多样化是最容易的解决方案，但最艰难的路才是最有意义的。”“从我的观点来看，我们或者成为美国的高能中心，或者失去能量的前沿地位。” Oddone同意这种观点。他说：“国际直线对撞机是实验室2021年最大的机会。”在美国能源部的帮助下，费米实验室将提高它的加速器和对撞机研究，以期作为获得新设备的强大承诺。Oddone说，如果事情进展顺利，因为使用直线对撞机探测希格斯等奇异的粒子，费米实验室在下个十年中将再次成为世界物理学的中心。 但是，这只是一个大胆的假设。建造直线对撞机所需要的国际合作规模异常艰难，这里面充斥着经费的超限运作、团队间的明争暗斗和国际政治问题。即使对撞机事业向前进了，但它未必一定落户美国。日本文部省的高能加速器研究中心(KEK)的常务主任说，日本正在全力以赴地希望将对撞机能安置KEK。
新线索
费米国家加速器实验室的物理学家们报告说，他们已经发现了有助于揭示诸多宇宙神秘之一的新线索：为什么宇宙是由物质而不是它神秘的孪生兄弟暗物质所组成。如果该发现得以被证实，同时意味着位于日内瓦的大型强子对撞机计划取得了重大突破，甚至可能对人类之所以存在的原因作出解释。 在一个数学化的完美宇宙中，人类基本上是不可能存在的，也是不应该存在的。爱因斯坦相对论和量子力学的基本原理表明，宇宙大爆炸中产生的物质和反物质的量是相等的，在一片巨大的能量爆发中它们迅速彼此湮灭，不可能有多余的部分用于产生恒星、星系和人类。但事实上，人类就是存在于这个世界上，因此物理学家们非常期望能了解其中的原因。 费米实验室的正负质子对撞机还是世界上最为强大的粒子加速器，DZero协作小组的研究人员们利用这台加速器将质子与反质子相互碰撞并进行数据筛选，他们发现碰撞中产生的μ介子即所谓的胖电子，其出现的频率比产生反μ介子的频率要高出一些。因此，加速器中原本被认为是中性的微型宇宙开始向物质宇宙靠拢了，在这个宇宙中，物质比反物质要多出1%。
“为什么在我们的宇宙中，物质占主导地位？这个实验结果为我们提供了一个重要的解答线索，”该研究的领导者来自英格兰兰开斯特大学的古恩纳迪·鲍里索夫说，他是上周五在费米实验室的一次谈话节目中作此表示的。不到一周时间，这番话就在物理学界广泛传开了。欧洲核子研究中心兼加州理工学院的物理学家玛莉亚·丝波罗普鲁认为该研究结果“不仅令人印象深刻，而且令人感到费解。” 这项研究成果已经被发布到了网络上。 为解决早期宇宙物质多于反物质的难题，俄罗斯社会活动家兼著名物理学家安德烈·萨哈罗夫曾开创性的提出了一个解决方案，他认为这些粒子与反粒子之间必定存在些微的性质差异，即所谓的电荷宇称不守恒。因此，当粒子所带的电荷和自旋被颠倒过来时，它们的性质就发生了轻微的变化。多年以来，物理学家们在某些极其罕见的亚原子微粒间的反应中发现了宇称不守恒的存在，在这些例子中物质的确比反物质稍占了一点上风，但“这不足以解释人类为什么会存在，”DZero小组成员哥伦比亚大学的古斯塔夫·布卢基曼斯说。 这种新效应的发生取决于一种特殊的奇异粒子——中性B介子的行为，中性B介子以性质不稳定而著称，它们每秒钟会在常规状态和反物质状态之间反复振荡上万亿次。质子与反质子碰撞时产生的B介子似乎能够更快地从其反物质状态转变到物质状态，当B介子最终衰变为μ介子时，物质比反物质要多出1%。 虽然布卢基曼斯博士认为这种局面“相当令人鼓舞”，但他同时也表示说，新证据能否用来解释人类存在的原因尚不得而知，除非引发B介子神秘行为的原因被直接观测到。 费米实验室中所观察到的这种物质优势约为标准模型预测量的50倍，标准模型已经统治了粒子物理学近四分之一个世纪。不管是什么原因引发了B介子的奇异行为，物理学家们所期盼已久的“新物理学”已经宣告来临。 布卢基曼斯博士认为，最可能的原因是标准模型没有预测到某些新粒子，或粒子间的某种新相互作用。所幸的是，我们还可以利用大型强子对撞机找到一些可能的答案。 纽约大学的尼尔·维纳表示：“如果行得通的话，大型强子对撞机肯定能产生一些不可思议的结果。” 费米实验室的物理学家们还是得屏住呼吸，静静等待着其他实验室对他们的结果作出证实。 费米实验室的理论物理学家乔伊·拉肯说：“我现在还不敢断言我们看到了上帝的模样，但我们可能已经摸到他老人家的脚趾了。”
前景
未来的不确定性让实验室难以留住尚在实验室的几千名访问科学家。实际上，Tevatron的两个主要探测器CDF和DZero的运作已经面临人手不足的困境。DZero的发言人Jerry Blazey说：“许多人都想走，或者已经走了，2021年我们最重要的是坚持住。”
现状让费米实验室越来越难以吸引从事线性对撞机模型研究的专家。在实验室的咖啡厅坐坐，你会发现情况好像会变得更严重。费米实验室正在尽最大努力营造良好的气氛。一种权宜之计是建一个能够让美国的研究人员可实时监测他们在欧洲高能物理研究中心的实验。负责计算机中心建造的Avi Yagil说：“我们将可以看见在欧洲实验室的科学家们看见的数据。” Oddone认为费米实验室有人才、知识和空间来建造下一代的加速器，但除非全力以赴，否则梦想不会成真。他说：“是的，这是一个巨大的风险，问题是我们寻找的答案也有巨大的意义。”
研究成果
费米实验室精确测定物质与反物质转换速率 设在费米实验室的国际CDF（Collider Detector at Fermilab）合作组织对物质反物质之间的超快转换进行了最精确的测量。实验发现某些B介子可以自发地转变成为反B介子然后再变回B介子，转变速度为三万亿次每秒。这一结果与粒子物理标准模型相吻合，并再次证明电荷宇称破缺的存在，而CP破缺被认为是宇宙中物质比反物质多的原因。 宇宙学家们相信，在大爆炸最初产生的物质与反物质等量。但是如果物质与反物质精确对等，则在它们湮灭之后就只能剩下光子。事实并非如此，在这个宇宙中物质比反物质要多得多。物质统治下的宇宙的客观存在说明，物质与反物质在大爆炸之后经历了不同的演化过程。在粒子物理标准模型中有一个过程叫做电荷宇称破缺（CP violation）,它是造成物质、反物质命运炯异的原因。CP破缺意味着，当物理定律用之于三维反转和反物质粒子时要有所变化。 CP破缺可以用不同的方法来证明。在1964年中性发现中性K介子的过程中间接地证明了CP破缺。2001年斯坦福BaBar研究组和Belle研究组各自独立地在实验中发现了B介子的这一过程。而BaBar小组更是在2004年发现B介子与反B介子衰变的差异而“直接”证明了CP破缺。 B介子是一种由正反物质共同构成的短命粒子，它由一个夸克和一个反夸克组成。CDF的物理学家们研究物质-反物质转化的对象是Bs介子，它是由一个底夸克和一个反奇异夸克组成的。2001年在费米实验室万亿电子伏质子反质子对撞机上启动了这项称为“Tevatron Run II”的实验项目。虽然正负质子对撞机比KEK和SLAC的设备产生的强子数要多得多，但是籍此观察B介子衰变依然是一项非常艰难的工作。
最新发现
费米实验室证实，Tevatron粒子加速器产生出新的粒子Xi-sub-b。 Xi-sub-b属于重子，由三个夸克构成，一个奇夸克，一个上夸克和一个底夸克。它的存在已被标准模型所预言，观察到中性粒子Xi-sub-b的意义在于它加强我们对夸克形成物质的理解。 2021年4月，美国能源部下属费米实验室公布了关于缪子反常磁矩测量的第一批实验结果，显示基本粒子缪子的行为和标准模型理论预测不相符。
影响
美国能源部所属的费米国家实验室是个高水平研究机构，非常“阳春白雪”，但是它并没有瞧不起“下里巴人”，而是十分注意开展对实验室所在社区的科普。他们认为，科普的使命，一方面是传播科技知识，另一方面非常重要的是让老百姓了解实验室的存在价值，从而支持其工作。 在费米实验室的网站上，有老百姓提出的很多问题和实验室的解答。由这些问答，可见实验室对于科普的态度有多么认真。 比如，有人问：费米实验室对本地区的经济带来了什么？ 答：费米实验室的年度预算约3亿美元。在2002财政年度，我们花了8800万美元采购各类产品与服务，其中70%花在实验室所在的伊利诺伊州。特别是，实验室在DuPage县的花费高达1200万美元。截至2006年1月，实验室拥有1985名员工。另外，世界各地有2500名科学家参与我们的科学实验，其中很多人每年到费米实验室来工作，每次要呆几天、几个月甚至一整年，他们通常在实验室外面吃住。 问：在某些安静的夜里，我和我的家人听到地下咚咚的振动声，这与你们加速器的运行是否有关系呢？ 答：我们的回答可能使您失望。费米实验室的加速器不会产生任何噪声和振动。事实上，振动会干扰加速器的运行。我们的设备极其灵敏，（2002年）11月3日远在阿拉斯加发生的一次地震引起的微弱振动信号，它都捕捉到了。之后，我们只好重启一次加速器。 问：（2002）我们在费米实验室周围见到的鹅没有往年春天多了，为什么？ 答：最近几年，鹅的孵化成功率一直在下降。这种现象首先发生在离居民区较远的孵化场所，后来发生于靠近高层建筑的地方。确切的原因还不清楚，但下面两条理由可能沾边，实际情形则可能是这两个因素的综合结果。一是天气，孵化成功率的下降恰与寒春相吻合。气温低，鹅卵就不易孵化。第二，可能草原狼和（或）水貂袭击了鹅巢。最近几年，费米实验室这一带这两种野兽的数量显著增加。没有证据表明，孵化成功率下降是由于人类活动的干扰。如果人的干扰是原因，那么应该在靠近居民区的地方问题最严重，而事实刚好相反，孵化率最低的是远离居民区的孵化场。费米实验室是“国家环境研究园区”中的一个，我们正在开展鹅筑窝成功率的研究。 由以上几个问答的例子可以看出，老百姓关心的东西五花八门，大大超出了高能物理学的范围。 1979－1989年期间担任费米实验室主任的L. M.莱德曼（1922年生，1988年获得诺贝尔物理学奖，1989年从费米实验室退休）一向热衷科普，他给费米实验室留下了一个重视科普的好传统，费米实验室有一个专门的科普场馆“莱德曼科学中心”，每周向公众开放六天。2009年4月，该中心安排的活动包括以下节目：“虫子又回来啦！”，“将粒子加速到高能”，“6－8年级女生科学沙龙”，“4－5年级女生科学沙龙”（注：美国从小学到高中毕业分为1－12年级），“家庭户外活动节”，等等，内容十分丰富。费米实验室还组织面向中学生的高级科普活动，比如，2009年6－7月，将举办面向9－12年级中学生的暑期生物学、化学和物理学的培训班。 我国的大学和科研院所，除了每年的“公众开放日”外，面向公众的科普宣传是很少的。费米实验室给我们树立了一个好榜样。