大型強子對撞機、Tevatron、LEP 與 SLAC
/ ell-aitch-see; TEV-uh-tron; lep; slak /
過去半個世紀的粒子物理史,在很大程度上就是少數幾台偉大機器的歷史。有四個名字一再出現,每一個都體現了一種不同的設計抉擇,並做出了各自的里程碑式發現。它們合在一起,展示了這個領域如何一台機器接一台機器地攀上能量的階梯。
歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)是當今的冠軍:一座位於法瑞邊境地下、周長 27 公里的超導質子—質子同步加速器,於 2012 年發現了希格斯玻色子。芝加哥附近費米實驗室的 Tevatron 是上一任領跑者——一台質子—反質子對撞機,是首個大規模使用超導磁鐵的機器,並於 1995 年發現了頂夸克。LEP(大型電子—正電子對撞機)就運行在後來被大型強子對撞機填入的那條隧道裡;作為一台電子—正電子機器,它產生極其乾淨的對撞,對 Z 和 W 玻色子做出了極為精密的測量。SLAC(史丹佛直線加速器中心)是一台 3 公里長的電子直線加速器,其實驗揭示了質子的夸克結構,並發現了新的夸克和一種新的輕子。
這些對比很有啟發。質子機器(LHC、Tevatron)能達到最高的能量,因為較重的質子被彎轉時輻射很少,所以它們是闖入未知領域的發現型機器。電子機器(LEP、SLAC)給出更乾淨、更簡單的對撞——電子是沒有內部結構的點粒子——因此它們擅長精密測量,儘管同步輻射限制了環形電子機器能達到的上限。這種互補性,即能量前沿與精密前沿之分,至今仍左右著關於下一步該建造什麼的每一場爭論。
每台機器都有一項標誌性成果:SLAC 在質子內部發現了夸克,LEP 把 Z 玻色子的性質測到了極高精度,Tevatron 發現了頂夸克,而大型強子對撞機發現了希格斯玻色子。
質子機器追逐能量與發現;電子機器追逐精度。
這些機器是互補的,而非簡單排座次:大型強子對撞機能達到遠比 LEP 更高的能量,但 LEP 更乾淨的電子—正電子對撞在某些量上仍給出更精確的測量,所以「最好」取決於你問的是什麼問題。