科学地标｜CERN：世界最大实验室
CERN 60周年纪念标识
提到CERN，人们都知道是发现“上帝粒子”（即希格斯粒子）的地方。在中国，经常把CERN称作“欧洲核子研究中心”。其实CERN的全称是“欧洲核研究组织”（Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire）。它的简称本来应该是OERN，但因为不好读，所以根据著名物理学家海森伯（W. K. Heisenberg）的建议，直接沿用了之前已经闻名世界的筹备机构“欧洲核研究委员会”（ConseilEuropéen pour la Recherche Nucléair）的简称CERN。因此CERN简称中的C来自于“委员会”（conseil），而不是很多人以为的“中心”（center）。
CERN正式成立于1954年9月29日。2014年是它诞生60周年。CERN成立后，研究领域以高能粒子为主，因此实验室也被称为欧洲粒子物理实验室（Laboratoire Européen pour laphysique des particules）。
CERN是目前世界上最大的实验室，位于瑞士日内瓦，其大型强子对撞机 (Large Hadron Collider，LHC)跨越瑞士和法国两个国家。目前正式成员国包括20个欧洲国家以及以色列，另外有1个候选成员国(candidate member state)和几个协联成员国(associate member states)。还有很多国家与CERN有合作关系。2013年，实验室有两千多全职工作人员、一千多兼职人员，以及一万多来自世界各国的协联成员和访问学者[1,2]。
60年间，CERN取得了很多成就，对这个时期的粒子物理研究立下了汗马功劳。这些成就的取得当然是建立在大大小小的科学设施基础之上的，所以先检阅一下CERN迄今主要的科学设施[2] 。
先看看探测装置。1950—1960年代,主要用气泡室探测粒子。气泡室装满液体，粒子经过时会产生气泡，从而可用来探测粒子的路径，拍下粒子径迹的照片。以下是CERN用过的气泡室。
氢气泡室（Hydrogen Bubble Chamber，HBC）。1959年开始使用，直径30厘米。1964年后的12年中，改换成更大的HBC 200，它有2米长，总共拍摄了4000万张照片。
大型欧洲气泡室（Big European Bubble Chamber， BEBC）。1973开始使用，至1984年结束。共拍摄了600万张照片，花费了2000公里的胶卷。直径3.7米，装配了当时世界上最大的超导磁体，填充了35米3的液体。该气泡室的粒子束来自质子同步加速器（PS），发现了D介子，为中微子研究立下汗马功劳。
加尔加梅勒（Gargamelle）气泡室。从1970开始使用，1978年结束。名字来自法国作家拉伯雷（F. Rabelais）的小说《巨人传》（Gargantua andPantagruel），是其中的巨人加尔冈蒂阿（Gargantua）母亲的名字（顺便提一下，最近的科幻电影《星际穿越》中的大黑洞名叫加尔冈蒂阿，想必取自《巨人传》中巨人的名字，因为那个黑洞很大）。加尔加梅勒气泡室是CERN第二大气泡室，其圆柱体长4.8米、宽1.85米，体积为12米3，充满13.5吨氟利昂。采用常规磁体，磁感应强度达2特（斯拉）。它主要用于观测中微子，记录分析了83000个中微子事件。它最大的功绩是发现中性流。
后来，气泡室不能适应粒子物理的发展，对于较高能量的粒子流，记录频率和气泡室的大小都无法达到要求，因此探测器的电子化不可避免。
1968 年，沙尔帕克（G. Charpak）在CERN发明了多丝正比室（multiwire proportional chamber）。这个电子化的探测器每秒钟可记录上百万的粒子迹径，不久，多丝正比室升级为漂移腔，通过电子漂移时间的测量大大改进了粒子位置测量的精度[3]。
在粒子物理实验室，最引人注目的大概是加速器。以下是CERN迄今建造运行的主要加速器。
同步回旋加速器（Synchrocyclotron，SC）。从1957年开始运行到1990年结束。它将质子加速到600兆电子伏。因为产生中微子，SC使得中微子成为CERN的一个主要研究对象。
质子同步加速器（Proton Synchrotron，PS）。从1959年运行至今。周长628米，有100个磁体, 共3800吨。质子能量达到28吉电子伏, 曾是世界上能量最高的质子束。现在是LHC的预备加速器。
线性粒子加速器（Linear Particle Accelerator，LINAC）。从1959年开始运行的LINAC1是 CERN第一个质子线性加速器。它预加速带电粒子，然后注入大加速器，如PS。从1978年至今，这个任务由 LINAC2接替。而LINAC1用于离子加速等其他用途。
线上同位素分离器（Isotope Separator On Line Device，ISOLDE）。从1967年运行至今。它被连接到SC，分离短寿命的放射性同位素。
交叉储存环（Intersecting Storage Rings，ISR）。这是世界上第一个质子-质子对撞机，1971年实现首次质子碰撞，1984年停止运行。周长943米，占用了法国领土。质子能量达 28吉电子伏。有两个直径300米的同心磁体环，让两束质子反向飞行，然后碰撞。历史上的一些重要技术，如碰撞机原理、真空技术和随机冷却等是在ISR上发展起来的。
超级质子同步加速器（Super Proton Synchrotron，SPS）。周长6912米，装配有约1000个磁体。1976年开始运行，束能量达到400~450吉电子伏。1979年至1981年，SPS被改造为质子-反质子对撞机，1981年实现首次对撞。1983年，W和Z玻色子在SPS上被发现。
大型正负电子对撞机（Large Electron-Positron Collider，LEP）。隧道在地下100米，周长27公里。1989年开始运行，1995年增加了288个超导磁体。2000年停止运行，所有的机器拆除，隧道留给大型强子对撞机。LEP对粒子物理标准模型中的很多粒子做了精确测量，产生W和Z玻色子时，正负电子的能量达到几十吉电伏，2000年时达到209吉电子伏。
大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）。有1232个超导偶极磁体和8500个其他磁体。 ATLAS、CMS、 ALICE和LHCb等探测器全部在2008年建成。磁体中有两个直径56毫米的管道，两束质子分别在其中反向回旋。每个粒子束有1毫米厚，在碰撞点的厚度压缩到16微米。为了运行超导磁体，制冷系统用了1万顿液氮和120顿液氦，温度达到1.9开（尔文）。LHC的内部压强是10-13 大气压。2008年测试运行中发生事故；2009年开始以每个粒子3.5 太电子伏的能量运行；2010年运行了一个月。2011—2013年，每年以4太电子伏各运行了一个月。2012年发现了希格斯粒子，希格斯场的作用在于导致描述弱电作用的杨－米尔斯理论发生自发规范对称破缺。2015年LHC将以能量为7太电子伏运转。
现在，CERN的几种加速器可以协同工作[2]。首先氢气被拆成氢原子，在双等离子器（Duoplasmatron）中，氢原子中的电子被剥离。质子进入LINAC2，加速到50 兆电子伏，再注入质子同步推进器（Proton Synchrotron Booster）、质子同步加速器和超级质子同步加速器。超级质子同步加速器将质子加速到450吉电伏后，注入LHC。LHC将每束质子加速到7 太电子伏。质子碰撞发生在4个碰撞点，这里设置了6个探测器（ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, LHCf和 TOTEM）。另外也有质子和铅离子的碰撞。 LHC中的碰撞可达每秒6亿个，从中筛选出每秒200个，因此CERN的实验产生巨大的数据量。
1989年，为了使得散居世界各地的物理学家能方便联系CERN的各个实验、获得试验数据，当时在CERN工作的伯纳斯－李（T. J. Berners-Lee）发明了一个新的网络系统。这就是万维网（WorldWide Web， WWW）。他发展的概念，诸如URL，HTTP和HTML，人们一直使用至今。他和CERN没有为这个发明申请专利，而是免费提供给全世界。这导致互联网的蓬勃发展，改变了世界。2004年，伯纳斯-李因此获得千年技术奖，并被英王授予爵士称号。
除互联网外，CERN在粒子物理领域的诸多重要科学成就包括：关于电荷共轭宇称（CP）不守恒的很多研究；多丝正比室的发明（1968）；弱相互作用中性流的发现（1973年）；量子色动力学的验证（1979年）；弱相互作用的媒介子W和Z粒子的发现（1983）；中微子味数3的确定（1989）；希格斯粒子的发现（2012），等等。
以下结合这些成就，谈谈CERN的几位诺贝尔奖获得者。
沙尔帕克因在CERN发明了多丝正比室而获得1992年度诺贝尔物理学奖。沙尔帕克发明的多丝正比室，是一个充气的腔体，内有很多平行导线，每根导线连接一个放大器。之前已有正比室，即圆柱状充气金属管中心有一根导线，与管壁间有合适电压，粒子通过金属管时导致气体电离，从而雪崩式地产生电子。而沙尔帕克将很多导线平行放在两个负极电板之间，从而测得粒子轨迹。
W和Z是弱相互作用的规范粒子，或称媒介子。 W粒子带1个或-1个单位电荷，Z是电中性的。它们的发现确立了用杨－米尔斯规范理论统一描述弱和电磁相互作用的温伯格－萨拉姆模型的正确性，导致实验合作组领袖鲁比亚（C. Rubbia）与提供关键技术（但未在鲁比亚的文章上署名）的范德米尔（S.van der Meer）获得1984年度的诺贝尔物理学奖。他们的实验是基于超级质子同步加速器改造成的正反质子对撞机。
而在此之前，早在1973年，拉加里格（A. Lagarrigue）领导的加尔加梅勒气泡室合作组已经发现了弱相互作用的中性流。当时，在波恩的一个电子－质子会议上，杨振宁宣布中性流的发现是该会议的亮点[4]。中性流是电中性的Z粒子与光子的混合。
鲁比亚和范德米尔获得诺贝尔奖是很快的，大概仅次于李政道和杨振宁。这两组物理学家都是在工作完成后的第二年获奖。鲁比亚的合作组UA1发现W粒子的文章是1983年1月23日收到，1983年2月24日发表[5]；而他们发现Z粒子的文章是1983年6月6日收到，1983年7月7日发表[6]。李政道和杨振宁获得1957年奖的论文则是1956年6月22日收到，1956年10月1日发表[7]，是历史上获得诺贝尔奖最快的工作 [8]。
因为中微子束实验及u中微子的发现而与莱德曼（L.M.Ledermann）和施瓦兹（M.Schwartz）共同获得1988年度诺贝尔物理学奖的施泰因贝格（J.Steinberg）原来是哥伦比亚大学教授，获奖工作也是在美国做的。这个诺贝尔奖工作与李政道、杨振宁的理论工作有密切关系。施泰因贝格获奖时已是CERN的雇员，因为他1968年搬到这里。1964年，中性K介子衰变CP不守恒在实验上被发现，吴大峻和杨振宁正在做著名的唯象分析（2014年是这两件事的50周年），在与他们的讨论中，施泰因贝格获得了测量中性K介子衰变若干重要参数的想法。1964—1965年，施泰因贝格作为访问人员在CERN实现了这些想法[3]。
本文作者和施泰因贝格教授在CERN的合影（2014年5月9日）
1968年施泰因贝格搬到CERN的时候，沙尔帕克正在发明多丝正比室。利用这个技术，1970—1974年，施泰因贝格做了很多关于CP不守恒的实验，测得了很多参数。后来，施泰因贝格的组又研究吴-杨文章中讨论过的所谓直接CP破坏，1988年证实它确实存在，1994和2002年又两次提高参数的精度[3]。
1979年，施泰因贝格领导CDHS合作组，通过SPS提供的中微子验证了量子色动力学（QCD）的“标度破坏”。这是QCD的第一个实验证明。QCD是用杨-米尔斯理论描述夸克和胶子强相互作用的理论，它预言了核子的简单的部分子模型所导致的结构函数与动量转移平方无关的结果会有所违反[3]。
后来施泰因贝格领导了LEP计划。1989年LEP首次测得中微子的味数，并在1995年得到改进。1995年，施泰因贝格结束了实验粒子物理生涯[3]。
CERN的财政由所有成员国分担，比例各不相同。根据在CERN网站(http://home.web.cern.ch/)上的资料，CERN在2012—2014年的总预算分别如下（按1瑞士法郎=6.6元折算）。
2012年：1 092 669 300瑞士法郎，约70亿元。
2013年：1 246 500 000瑞士法郎，约80亿元。
2014年：1 094 410 000瑞士法郎，约70亿元。
根据CERN的2013年年报[1]，2013年总共花费1139.7兆瑞士法郎（MCHF），其中603.2MCHF用于人员（personnel），479MCHF用于材料（materials），40.9MCHF用于能源和水（energy and water），16.6MCHF用于利息和金融（interest and financial costs）。
参考文献
[1] CERN.Annual Report. Geneva：CERN，2013.
[2] KrauseM. CERN: How we found the Higgs Boson.Singapore：WorldScientific, 2014.
[3]Steinberger J. Learning about Particles – 50 Privileged Years. Berlin：Springer,2005.
[4] HaidtD. The discovery of the weak neutral currents, CERN Courier, 2004, 44 (8): 21.
[5] ArnisonG, et al. Phys Lett B, 1983, 122: 103.
[6] ArnisonG, et al. Phys Lett B, 1983, 126: 398.
[7] Lee TD, Yang C N. Phys Rev, 1956, 104; 254.
[8] ShiY. Int J Mod Phys A, 2014, 29: 1475001.
60 Years of CERN
We discuss the main achievements of CERN, especially those made by the NobelLaureates in CERN.
(本文原刊于《科学》2015年3月67卷2期，原标题为：欧洲核研究组织（CERN）60年。《知识分子》获授权刊发，略有修订。）
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