費米實驗室
費米實驗室費米國家加速器實驗室（Fermilab），以1938年諾貝爾物理學獎得主恩利克·費米（Enrico Fermi）的名字命名。始建立於1967年，費米實驗室是美國最重要的物理學研究中心之一，位於美國伊利諾斯州巴達維亞附近的草原上。它官方上屬於美國能源部，但也隸屬於芝加哥大學（University of Chicago）和大學研究協會（URA），並由這兩個機構負責其運作，其中URA由90所研究型大學組成，2021年實驗室有2000名雇員。費米實驗室最為知名的是它的Tevatron質子/反質子加速器，是2021年世界上能量輸出第二高的粒子加速器，能將質子加速到接近光速，幫助科學家探索物質、空間和時間的奧秘。 2021年4月，美國能源部下屬費米實驗室公布了關於繆子反常磁矩測量的第一批實驗結果，顯示基本粒子繆子的行為和標準模型理論預測不相符。
目錄
歷史發展
費米國家加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory，縮寫為Fermilab或FNAL），簡稱費米實驗室，是隸屬於美國能源部的一所美國國家實驗室，位於美國伊利諾伊斯州巴達維亞附近的草原上。 實驗室成立於1967年，原名為「國家加速器實驗室」，主要研究領域為高能物理學、粒子物理學。第一任所長是羅伯特·R·威爾遜(Robert R.Wilson)。實驗室的原則是傑出的科學、藝術的瑰麗、土地的守護神、經費上精打細算和機會均等。1974年為紀念美國物理學家恩里科·費米而更名為「費米國家加速器實驗室」。 費米實驗室擁有世界上運行能量第二高的質子-反質子對撞機Tevatron（980GeV×980GeV），附屬有兩大探測器CDF和D∅。2008年9月歐洲粒子物理研究中心建成的大型強子對撞機，設計可產生七倍於費米實驗室記錄的能量。 1995年3月2日，費米實驗室宣布在兆電子伏特加速器上發現了第六種夸克——頂夸克。
主要人物
費米，意大利人。美國物理學家費米無疑是自枷利略以來最偉大的意大利科學家，是1925-1950年間世界上最富創造性的物理學家之一。費米由於「發現新的放射性物質和發現慢中子的選擇能力」 而榮獲1938年諾貝爾物理學獎。 1901年9月29日，費米出生於羅馬。費米資質聰明，心性敏捷，早年就已顯露才華，因而在1918年被獲准進入比薩的師範學校，他後來在比薩大學完成學業，於1924年獲得哲學博士學位。他在格丁根和萊頓度過一段時間之後回到意大利，被任命為羅馬大學物理學教授，這無疑是由於他已經發表了大約30篇重要論文而建立起來的名聲和那時意大利最傑出的物理學家、參議員柯比諾的支持。 費米以出版意大利第一本現代物理學教科書《原子物理學導論》作為開端，他的名聲很快就把意大利年輕物理學者中的佼佼者吸引到他的周圍。但意大利法西斯主義的囂張導致意大利科學天才的流失。到1938年，費米由於妻子是猶太人，被迫移居美國。費米在離開意大利之前，在羅馬期間就已經是一位驚人的高產科學家，在理論和實驗領域都已作出重要貢獻。他的實驗工作出自於試圖推進約里奧-居里夫婦的成果，約里奧-居里夫婦在1 934年已經指出，用氦核（α粒子）轟擊硼和鋁會產生人工放射性同位元素。費米想到，1932年詹姆斯-查德威克發現的中子也許是一種創造新同位素的更好工具。中子雖然比α粒子質量小，但中子不帶電，這使它能克服一個靶核的正電荷而不消耗中子的能量。 費米報告說，1934年他偶然衝動地在中子源和靶子之間插入了石蠟，放在入射中子的前面。結果使激活強度增加幾十到幾百倍。這就是費偶然發現的慢中子現象。 慢中子的產生，後來在民用和軍用的核能領域具有深遠的影響。然而費米的直接任務是用慢中子照射儘可能多的元素，生產和研究大量新創造的放射性同位素和其性質。 費米和他的同事在系統照射各種元素的過程中，自然用慢中子轟擊過鈾。這就必然會導致核裂變，費米把正在產生的超鈾元素稱之為「ausoninum」和「hesperium」。1938年奧托-弗里施和莉澤-邁特納首先看到，在這樣的反應中，核裂變正在發生。在理論方面，費米在羅馬時的主要成就在他的β衰變理論。這是不穩定核中的過程，在這個過程中，一個中子轉化為一個質子，並發射一個電子和一個反中微子。費米作出了一個詳盡的分析，在科學中引入一種新的力，即所謂「弱」力。 費米到了美國後，熱衷於試圖創造一種可以控制的鏈式核反應。1942年他成功地在芝加哥大學的運動場斯塔格廣場上建立起第一座原子堆。他和同事們用純石墨作為減速劑，減慢中子速度，以豐富的鈾作為可裂變物質，開始建立反應堆。1942年12月2日下午2點20分，費米的反應堆進入臨界狀態，支持一種自持鏈式反應28分鐘，原子時代開始了。 1945年7月，當第一顆試驗原子彈在新墨西哥州沙漠爆炸時，他也在現場。據說當風暴刮到他面前時，他丟下了一些紙屑，根據這些紙屑的位移，計算出原子彈相當於1萬噸三硝基甲苯炸藥 （TNT）的威力。 戰後，費米任芝加哥大學物理學教授，一直到他因癌症去世。[1]
歷史發展
費米國家加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory，縮寫為Fermilab或FNAL），簡稱費米實驗室，是隸屬於美國能源部的一所美國國家實驗室，位於美國伊利諾伊斯州巴達維亞附近的草原上。 實驗室成立於1967年，原名為「國家加速器實驗室」，主要研究領域為高能物理學、粒子物理學。第一任所長是羅伯特·R·威爾遜(Robert R.Wilson)。實驗室的原則是傑出的科學、藝術的瑰麗、土地的守護神、經費上精打細算和機會均等。1974年為紀念美國物理學家恩里科·費米而更名為「費米國家加速器實驗室」。 費米實驗室擁有世界上運行能量第二高的質子-反質子對撞機Tevatron（980GeV×980GeV），附屬有兩大探測器CDF和D∅。2008年9月歐洲粒子物理研究中心建成的大型強子對撞機，設計可產生七倍於費米實驗室記錄的能量。 1995年3月2日，費米實驗室宣布在兆電子伏特加速器上發現了第六種夸克——頂夸克。 [2]
性質
最高的能量尋找最小的粒子Oddone將成為實驗室的第15任主任。費米實驗室是美國最大的高能物理實驗室，在世界上是僅次於歐洲粒子物理研究所的第二大實驗室。1967年11月21日，美國總統林頓·約翰遜簽署法案，授權美國原子能委員會成立國家加速器實驗室。1974年5月11日，為紀念原子時代卓越的物理學家、1938年諾貝爾物理學獎獲得者恩里科·費米，實驗室改名為費米國家加速器實驗室。實驗室的目標是探索自然界最微小的部分——存在於原子中的世界，了解宇宙是如何形成和運轉的，提高人類對物質和能量的基本屬性的理解。
形成
費米實驗室位於伊利諾伊州大草原邊上的巴達維亞，擁有2100多名政府雇員，年度預算為3.07億美元。實驗室分別於1977年6月和1995年2月發現了基本粒子和力標準模型中的兩個主要部分：底夸克和頂夸克。1983年，實驗室耗資1.2億美元建造了迄今為止世界上能量最強的碰撞器Tevatron。2001年7月，物理學家在Tevatron上第一次直接觀察到了τ中微子，從而開啟了物理研究的一個新時代。但在未來3年裡，Tevatron將被歐洲高能物理實驗室一個能量更大的對撞機——大型強子加速器(Large Hadron Collider，LHC)所取代。美國政府計劃在LHC啟用時就關閉Tevatron，費米實驗室面臨一個非常不確定的未來。 由於環形電子對撞機向更高發展時遇到同步輻射能量損失隨束能量的四次方增長的困難，因此，國際高能物理界達成共識：在LHC後，採用大型直線對撞機（International Linear Collider，簡稱ILC）作為新一代的高能物理對撞機。ILC是一個龐然大物，它將建造在總長達30多公里的地下隧道里，使用最新的超導技術以5000億電子伏特的能量擊碎電子，預計到2016年前後才可建成，造價高達60億美元。正是因為直線對撞機昂貴又費時，全球只能建造一台。
風險
Oddone夢想讓直線對撞機落戶費米實驗室。他希望通過與國際同行的努力，最遲於2010年底開始在費米實驗室建造直線對撞機。他知道對撞機的建設需要科學界的合作、國際外交的協調和美國政府對巨額經費的承諾。這個計劃是一場冒險，它既可讓實驗室恢復昔日的輝煌，也會因目標或未來的不確定性而讓實驗室飄忽不定。 物理學家們在1979年開始建造Tevatron時就是懷着這樣一個大夢想，他們的目標是想確證頂夸克是否存在。夸克是構成質子、中子和其它亞原子粒子的基本元素，理論上它是由三種不帶整電荷的更基本的粒子組成，頂夸克和底夸克是其中最重的粒子。費米實驗室曾在1977年用環型加速器探測到底夸克的存在。尋找更重的頂夸克意味着要用5億至15億電子伏特的能量擊碎質子或反質子，設計Tevatron的目的就是做這件事。通過進一步的改造，對撞機在1995年捕捉到了頂夸克。新發現讓物理學家們歡呼雀躍，卻讓實驗室的管理者們開始頭痛。 費米實驗室並不是惟一遭遇兩難處境的美國粒子物理實驗室。諾貝爾獎獲得者Burton Richter是位於加州的斯坦福直線加速器中心的榮譽退休主任，他在1992年時也遇到過類似的問題。當時，實驗室有一台曾在1968年第一個探測到夸克的電子加速器，但這台加速器的改造已經走到了盡頭，沒有再發展的空間了。因此，Richter決定將加速器轉變為高能的X射線源，供生物學家、化學家和材料學家確定分子和材料的結構。斯坦福直線加速器中心也開始了多樣化的研究，步入了天體物理學、射線探測和宇宙學的領域。2021年，斯坦福直線加速器中心欣欣向榮，年度預算穩定增加。
但費米實驗室沒有選擇多樣性。它曾在20世紀90年代決定將Tevatron升級為能量更高的加速器。這一次，他們的夢想是尋找希格斯粒子，如果理論學家的預言是正確的，那麼這將有助於解釋為什麼宇宙中的萬物都有質量。捕獲希格斯粒子是費米實驗室下一個偉大的夢想。 Tevatron最後一次升級花了政府數億美元，工程於2001年完工。但老化的Tevatron的事件並沒有因此完結：在過去幾年中它的基礎已經開始鬆動、下陷，一些旨在提高其能量的技術出現了意想不到的問題。2021年，在經過艱難的4年後，情況變得基本穩定，但Tevatron失去了最佳時間，只有少數人相信歐洲高能物理實驗室的機器在2008年啟動前，希格斯粒子會在Tevatron上被發現。 這將實驗室的處境置於地獄的邊緣。當大型強子對撞機啟動後，Tevatron將被關閉，從而讓許多物理學家無所事事，Richter說：「這將他們置於特殊的境地，2021年的問題是如何從這種境地中走出來。」
多樣化
費米實驗室可以選擇類似斯坦福加速器中心的多樣化。費米實驗室已將自己的觸角伸展到充滿宇宙的不帶電的微中子，但微中子的研究不足以維持實驗室現有的水平。實驗室的許多物理學家對實驗室使命的改變不屑一顧。CDF的發言人、物理學家Young Kee Kim說：「多樣化是最容易的解決方案，但最艱難的路才是最有意義的。」「從我的觀點來看，我們或者成為美國的高能中心，或者失去能量的前沿地位。」 Oddone同意這種觀點。他說：「國際直線對撞機是實驗室2021年最大的機會。」在美國能源部的幫助下，費米實驗室將提高它的加速器和對撞機研究，以期作為獲得新設備的強大承諾。Oddone說，如果事情進展順利，因為使用直線對撞機探測希格斯等奇異的粒子，費米實驗室在下個十年中將再次成為世界物理學的中心。 但是，這只是一個大膽的假設。建造直線對撞機所需要的國際合作規模異常艱難，這裡面充斥着經費的超限運作、團隊間的明爭暗鬥和國際政治問題。即使對撞機事業向前進了，但它未必一定落戶美國。日本文部省的高能加速器研究中心(KEK)的常務主任說，日本正在全力以赴地希望將對撞機能安置KEK。
新線索
費米國家加速器實驗室的物理學家們報告說，他們已經發現了有助於揭示諸多宇宙神秘之一的新線索：為什麼宇宙是由物質而不是它神秘的孿生兄弟暗物質所組成。如果該發現得以被證實，同時意味着位於日內瓦的大型強子對撞機計劃取得了重大突破，甚至可能對人類之所以存在的原因作出解釋。 在一個數學化的完美宇宙中，人類基本上是不可能存在的，也是不應該存在的。愛因斯坦相對論和量子力學的基本原理表明，宇宙大爆炸中產生的物質和反物質的量是相等的，在一片巨大的能量爆發中它們迅速彼此湮滅，不可能有多餘的部分用於產生恆星、星系和人類。但事實上，人類就是存在於這個世界上，因此物理學家們非常期望能了解其中的原因。 費米實驗室的正負質子對撞機還是世界上最為強大的粒子加速器，DZero協作小組的研究人員們利用這台加速器將質子與反質子相互碰撞並進行數據篩選，他們發現碰撞中產生的μ介子即所謂的胖電子，其出現的頻率比產生反μ介子的頻率要高出一些。因此，加速器中原本被認為是中性的微型宇宙開始向物質宇宙靠攏了，在這個宇宙中，物質比反物質要多出1%。
「為什麼在我們的宇宙中，物質占主導地位？這個實驗結果為我們提供了一個重要的解答線索，」該研究的領導者來自英格蘭蘭開斯特大學的古恩納迪·鮑里索夫說，他是上周五在費米實驗室的一次談話節目中作此表示的。不到一周時間，這番話就在物理學界廣泛傳開了。歐洲核子研究中心兼加州理工學院的物理學家瑪莉亞·絲波羅普魯認為該研究結果「不僅令人印象深刻，而且令人感到費解。」 這項研究成果已經被發布到了網絡上。 為解決早期宇宙物質多於反物質的難題，俄羅斯社會活動家兼著名物理學家安德烈·薩哈羅夫曾開創性的提出了一個解決方案，他認為這些粒子與反粒子之間必定存在些微的性質差異，即所謂的電荷宇稱不守恆。因此，當粒子所帶的電荷和自旋被顛倒過來時，它們的性質就發生了輕微的變化。多年以來，物理學家們在某些極其罕見的亞原子微粒間的反應中發現了宇稱不守恆的存在，在這些例子中物質的確比反物質稍占了一點上風，但「這不足以解釋人類為什麼會存在，」DZero小組成員哥倫比亞大學的古斯塔夫·布盧基曼斯說。 這種新效應的發生取決於一種特殊的奇異粒子——中性B介子的行為，中性B介子以性質不穩定而著稱，它們每秒鐘會在常規狀態和反物質狀態之間反覆振盪上萬億次。質子與反質子碰撞時產生的B介子似乎能夠更快地從其反物質狀態轉變到物質狀態，當B介子最終衰變為μ介子時，物質比反物質要多出1%。 雖然布盧基曼斯博士認為這種局面「相當令人鼓舞」，但他同時也表示說，新證據能否用來解釋人類存在的原因尚不得而知，除非引發B介子神秘行為的原因被直接觀測到。 費米實驗室中所觀察到的這種物質優勢約為標準模型預測量的50倍，標準模型已經統治了粒子物理學近四分之一個世紀。不管是什麼原因引發了B介子的奇異行為，物理學家們所期盼已久的「新物理學」已經宣告來臨。 布盧基曼斯博士認為，最可能的原因是標準模型沒有預測到某些新粒子，或粒子間的某種新相互作用。所幸的是，我們還可以利用大型強子對撞機找到一些可能的答案。 紐約大學的尼爾·維納表示：「如果行得通的話，大型強子對撞機肯定能產生一些不可思議的結果。」 費米實驗室的物理學家們還是得屏住呼吸，靜靜等待着其他實驗室對他們的結果作出證實。 費米實驗室的理論物理學家喬伊·拉肯說：「我現在還不敢斷言我們看到了上帝的模樣，但我們可能已經摸到他老人家的腳趾了。」
前景
未來的不確定性讓實驗室難以留住尚在實驗室的幾千名訪問科學家。實際上，Tevatron的兩個主要探測器CDF和DZero的運作已經面臨人手不足的困境。DZero的發言人Jerry Blazey說：「許多人都想走，或者已經走了，2021年我們最重要的是堅持住。」
現狀讓費米實驗室越來越難以吸引從事線性對撞機模型研究的專家。在實驗室的咖啡廳坐坐，你會發現情況好像會變得更嚴重。費米實驗室正在盡最大努力營造良好的氣氛。一種權宜之計是建一個能夠讓美國的研究人員可實時監測他們在歐洲高能物理研究中心的實驗。負責計算機中心建造的Avi Yagil說：「我們將可以看見在歐洲實驗室的科學家們看見的數據。」 Oddone認為費米實驗室有人才、知識和空間來建造下一代的加速器，但除非全力以赴，否則夢想不會成真。他說：「是的，這是一個巨大的風險，問題是我們尋找的答案也有巨大的意義。」
研究成果
費米實驗室精確測定物質與反物質轉換速率 設在費米實驗室的國際CDF（Collider Detector at Fermilab）合作組織對物質反物質之間的超快轉換進行了最精確的測量。實驗發現某些B介子可以自發地轉變成為反B介子然後再變回B介子，轉變速度為三萬億次每秒。這一結果與粒子物理標準模型相吻合，並再次證明電荷宇稱破缺的存在，而CP破缺被認為是宇宙中物質比反物質多的原因。 宇宙學家們相信，在大爆炸最初產生的物質與反物質等量。但是如果物質與反物質精確對等，則在它們湮滅之後就只能剩下光子。事實並非如此，在這個宇宙中物質比反物質要多得多。物質統治下的宇宙的客觀存在說明，物質與反物質在大爆炸之後經歷了不同的演化過程。在粒子物理標準模型中有一個過程叫做電荷宇稱破缺（CP violation）,它是造成物質、反物質命運炯異的原因。CP破缺意味着，當物理定律用之於三維反轉和反物質粒子時要有所變化。 CP破缺可以用不同的方法來證明。在1964年中性發現中性K介子的過程中間接地證明了CP破缺。2001年斯坦福BaBar研究組和Belle研究組各自獨立地在實驗中發現了B介子的這一過程。而BaBar小組更是在2004年發現B介子與反B介子衰變的差異而「直接」證明了CP破缺。 B介子是一種由正反物質共同構成的短命粒子，它由一個夸克和一個反夸克組成。CDF的物理學家們研究物質-反物質轉化的對象是Bs介子，它是由一個底夸克和一個反奇異夸克組成的。2001年在費米實驗室萬億電子伏質子反質子對撞機上啟動了這項稱為「Tevatron Run II」的實驗項目。雖然正負質子對撞機比KEK和SLAC的設備產生的強子數要多得多，但是籍此觀察B介子衰變依然是一項非常艱難的工作。
最新發現
費米實驗室證實，Tevatron粒子加速器產生出新的粒子Xi-sub-b。 Xi-sub-b屬於重子，由三個夸克構成，一個奇夸克，一個上夸克和一個底夸克。它的存在已被標準模型所預言，觀察到中性粒子Xi-sub-b的意義在於它加強我們對夸克形成物質的理解。 2021年4月，美國能源部下屬費米實驗室公布了關於繆子反常磁矩測量的第一批實驗結果，顯示基本粒子繆子的行為和標準模型理論預測不相符。
影響
美國能源部所屬的費米國家實驗室是個高水平研究機構，非常「陽春白雪」，但是它並沒有瞧不起「下里巴人」，而是十分注意開展對實驗室所在社區的科普。他們認為，科普的使命，一方面是傳播科技知識，另一方面非常重要的是讓老百姓了解實驗室的存在價值，從而支持其工作。 在費米實驗室的網站上，有老百姓提出的很多問題和實驗室的解答。由這些問答，可見實驗室對於科普的態度有多麼認真。 比如，有人問：費米實驗室對本地區的經濟帶來了什麼？ 答：費米實驗室的年度預算約3億美元。在2002財政年度，我們花了8800萬美元採購各類產品與服務，其中70%花在實驗室所在的伊利諾伊州。特別是，實驗室在DuPage縣的花費高達1200萬美元。截至2006年1月，實驗室擁有1985名員工。另外，世界各地有2500名科學家參與我們的科學實驗，其中很多人每年到費米實驗室來工作，每次要呆幾天、幾個月甚至一整年，他們通常在實驗室外面吃住。 問：在某些安靜的夜裡，我和我的家人聽到地下咚咚的振動聲，這與你們加速器的運行是否有關係呢？ 答：我們的回答可能使您失望。費米實驗室的加速器不會產生任何噪聲和振動。事實上，振動會干擾加速器的運行。我們的設備極其靈敏，（2002年）11月3日遠在阿拉斯加發生的一次地震引起的微弱振動信號，它都捕捉到了。之後，我們只好重啟一次加速器。 問：（2002）我們在費米實驗室周圍見到的鵝沒有往年春天多了，為什麼？ 答：最近幾年，鵝的孵化成功率一直在下降。這種現象首先發生在離居民區較遠的孵化場所，後來發生於靠近高層建築的地方。確切的原因還不清楚，但下面兩條理由可能沾邊，實際情形則可能是這兩個因素的綜合結果。一是天氣，孵化成功率的下降恰與寒春相吻合。氣溫低，鵝卵就不易孵化。第二，可能草原狼和（或）水貂襲擊了鵝巢。最近幾年，費米實驗室這一帶這兩種野獸的數量顯著增加。沒有證據表明，孵化成功率下降是由於人類活動的干擾。如果人的干擾是原因，那麼應該在靠近居民區的地方問題最嚴重，而事實剛好相反，孵化率最低的是遠離居民區的孵化場。費米實驗室是「國家環境研究園區」中的一個，我們正在開展鵝築窩成功率的研究。 由以上幾個問答的例子可以看出，老百姓關心的東西五花八門，大大超出了高能物理學的範圍。 1979－1989年期間擔任費米實驗室主任的L. M.萊德曼（1922年生，1988年獲得諾貝爾物理學獎，1989年從費米實驗室退休）一向熱衷科普，他給費米實驗室留下了一個重視科普的好傳統，費米實驗室有一個專門的科普場館「萊德曼科學中心」，每周向公眾開放六天。2009年4月，該中心安排的活動包括以下節目：「蟲子又回來啦！」，「將粒子加速到高能」，「6－8年級女生科學沙龍」，「4－5年級女生科學沙龍」（註：美國從小學到高中畢業分為1－12年級），「家庭戶外活動節」，等等，內容十分豐富。費米實驗室還組織面向中學生的高級科普活動，比如，2009年6－7月，將舉辦面向9－12年級中學生的暑期生物學、化學和物理學的培訓班。 我國的大學和科研院所，除了每年的「公眾開放日」外，面向公眾的科普宣傳是很少的。費米實驗室給我們樹立了一個好榜樣。