欧洲核研究组织(CERN)的60岁生日及其诺贝尔奖得主

                           施郁

今年是欧洲核研究组织(CERN)建立60周年(图1）。1954年9月29日,即杨振宁-米尔斯规范理论在物理评论发表的两天前, 欧洲核研究组织成立。它的法语简称本应该是OERN，但是因为不好读，所以根据著名物理学家海森堡的建议，沿用在这之前的临时机构欧洲核研究委员会的简称CERN，一直至今。因此第一个字母C代表委员会(Conseil),而非中心. CERN成立后，研究领域超越原子核而以高能粒子为主，因此实验室也被称为欧洲粒子物理实验室。

CERN是目前世界上最大的粒子物理实验室,位于瑞士日内瓦，加速器隧道也经过法国。成员国包括21个欧洲国家以及以色列（图2）。目前，实验室有两千多工作人员，以及每年一万多来自世界各国的协联成员（associates或fellows）和访问学者。  

60年间，CERN取得了很多成就，对这个时期的粒子物理立下了汗马功劳，其中包括：

关于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），

互联网（起源于伯纳斯-李(Berners-Lee)1989年发明的用于各国科学家获得CERN实验数据的网络），

等等。

W和Z的发现确立了将杨振宁－米尔斯规范理论用于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，导致合作组领袖茹比亚（Rubbia）与提供关键技术（但未在茹比亚的文章上署名）的范德米尔（van der Meer）获得1984年的诺贝尔物理学奖。他们的实验是基于CERN的超级质子同步加速器（SPS），将它改装成正反质子对撞机。周长7公里的SPS建成于1976年。

而在这之前，早在1973年，拉伽日格(Lagarrigue)领导的加尔加梅勒（Gargamelle）气泡室合作组已经发现了弱相互作用的中性流。一个月后在玻恩的电子－质子会议上，杨振宁宣布中性流的发现是该会议的高潮。中性流是电中性的Z粒子与光子的混合。W带1个或-1个单位电荷。

茹比亚参加了2014年6月在新加坡召开的第8届全球华人物理学大会。大会开幕式后，杨振宁先生作了关于麦克斯韦的报告，然后笔者作了关于杨振宁科学贡献的报告。我提到，杨振宁和李政道所获的1957年诺贝尔物理学奖，是诺贝尔奖整个历史上授奖最快的。事后我想起茹比亚和范德米尔也是在工作完成后的第2年得奖的。而我作报告时，杨先生和茹比亚都坐在第一排。我赶紧查资料。发现，茹比亚他们的获得1984年奖的论文中，发现W的文章是1982年11月16日收到、1983年3月3日发表，发现Z的文章是1983年6月6日收到、1983年7月7日发表。而杨振宁和李政道的获得1957年奖的论文是1956年6月22日收到、1956年10月1日发表。因此茹范二人获奖还是慢于杨李二人，也就是说，我在杨先生和茹比亚面前讲的是正确的！不过茹范二人得奖也够快了，大概是仅次于杨李。

多丝正比室（multiwire proportional chamber）的发明导致其发明者夏帕克（Charpak）获得1992年诺贝尔物理学奖。正比室早已有之，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，从而雪崩式产生电子。而夏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。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粒子位置测量的精度。

   因为中微子束实验及缪（u）子族中微子的发现而与莱德曼（Ledermann）和施瓦兹（Schwartz）共同获得1988年诺贝尔物理学奖的斯坦伯格（Steinberg）原来是美国哥伦比亚大学教授，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的关系。斯坦伯格获奖时已是CERN的雇员，因为他1968年搬到这里。1964到1965年，他就作为访问人员在CERN测量了中性K介子衰变的若干重要参数。他的想法是1964年在与吴大峻和杨振宁的讨论中获得的。当时，中性K介子衰变CP不守恒实验上刚被发现，吴大峻和杨振宁正在作著名的唯象分析（今年是这两件事的50周年）。

1968年斯坦伯格搬到CERN的时候，夏帕克正在发明多丝正比室。利用这个技术，1970至1974年间，斯坦伯格作了很多关于CP不守恒的实验，测得了很多参数。后来，斯坦伯格的组又研究吴大峻-杨振宁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年又两次提高参数精度。

1979年，斯坦伯格领导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是用杨振宁-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。

后来斯坦伯格领导了能量20GeV的大正负电子对撞机（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，斯坦伯格结束了实验粒子物理生涯。

LEP运行到2000年。它的周长28公里的隧道被用于大型强子对撞机（LHC）,但能量提高了100倍。2012年，LHC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振宁－米尔斯理论发生自发规范对称破缺。　

今年5月，笔者曾应邀参加在CERN举办的一个会议，并见到了斯坦伯格教授。我向他转达了他一直很欣赏看重的老同学杨振宁先生的问候，并交谈了很长时间。这里只说一个有趣的花絮。斯坦伯格在他的自传中提到，1942年，一位叫约瑟夫˙海勒(Joseph Heller)的人介绍斯坦伯格认识了海勒当时的女朋友，而她后来成为斯坦伯格的妻子。斯坦伯格后来一直疑惑这个人是不是后来成为著名作家的那个海勒。我们的交谈也提到这个。作家海勒有个名著《第二十二条军规》。我借助互联网，基本确定斯坦伯格1942年的朋友海勒就是后来成为作家的海勒，并把信息告诉斯坦伯格教授。他说，中国人就是好些。　

图1： CERN60周年标识。

图2：CERN入口处的成员国国旗。