Tevatron于2011年10月1日停止运行。它的地位已经被LHC（大型强子对撞机）取代。尽管风华不再，Tevatron的物理学家仍在仔细分析此前取得的数据中，期望能找到希格斯玻色子的一抹痕迹。（本文源自《环球科学》，转载请特别注明） 

    这里是残存的一片伊利诺伊大草原，点缀着一小群被驯化的北美野牛。地面之下，质子和反质子（antiproton）正在一条约7千米长的环形隧道中沿着相反方向嗖嗖地转着圈。每秒钟都有成千上万个质子和反质子迎头相撞，喷射出一簇簇奇异的粒子。

    这是Tevatron加速器（万亿电子伏特加速器）中日复一日上演的场景，作为一台粒子加速器，Tevatron位于美国伊利诺伊州巴达维亚一块28平方千米的草甸之下，地面上是美国费米国家加速器实验室错综复杂的建筑群，往东80千米就是芝加哥。

     Tevatron日日夜夜如此运转，有时显得简单乏味，有时却又牵动人心，今天的物理学家认为宇宙中所有普通物质和能量都由16种基本粒子构成，其中3种都是在Tevatron中发现的。但对Tevatron而言，这样的时日已经成为过去，今年10月1日，加速器中1 000多个液氦冷却的超导磁铁完全关闭，环路中最后一丝粒子束流向金属靶做告别撞击，Tevatron作为世界上功率最大的粒子加速器的28年光辉历史也行将结束。

加速器关闭，竞争转向

    对于花费了近20年时间、希望在Tevatron中找到猜想中的希格斯玻色子（higgs boson，也叫做希格斯粒子，因其在物理学基本粒子中的核心地位，被称为“上帝粒子”）的几百位物理学家来说，关闭加速器意味着将猎物拱手让与首要竞争者——位于瑞士、法国边界的大型强子对撞机（Large hadron collider，LHC），同时也将潜在的诺贝尔奖一并相送。大型强子对撞机是比Tevatron更新更强大的加速器，圆形隧道周长达27千米，产生的能量也更大，它已经取代了Tevatron成为世界上首席粒子物理研究设备，大致在20年内不会有任何对手。

    美国能源部决定在这一财年结束时关闭Tevatron，费米实验室内没任何人对此觉得意外。一些物理学家建议能源部给这台已有年头的加速器再宽限3年，让它对希格斯玻色子做最后一搏，目前的理论猜测，正是这种粒子赋予了其他所有粒子质量。但即使是那些最热心的Tevatron人也承认，这台老旧的机器已是明日黄花。“我不觉得伤感，”德米特里·德尼索夫（Dmitri Denisov）说，“它就像你的旧车。整部科学发展史其实就是新仪器的发展史，而它已经运行了25年以上，是该更新换代了。”

    不过，作为“D-Zero”研究小组联合发言人的德尼索夫却无法轻言放弃，他们负责D-Zero装置的运转。D-Zero是架设在Tevatron隧道中的两台巨型探测器之一。两年前，在美国科学促进会（AAAS）的一次记者招待会上，正是德尼索夫宣称：“我们认为Tevatron非常非常有可能在LHC之前找到希格斯玻色子存在的迹象。” 当时正逢一次电力故障让LHC停止运行数月，费米实验室内有不少人都与德尼索夫一样信心满满。然而好景不长，LHC于2009年11月恢复运转，此后没多久就将碰撞能量刷新到3倍于Tevatron的能量上限。

    过去30年间，D-Zero探测器最主要的对手是它在Tevatron上的同伴，另一台名为费米实验室碰撞探测器（Collider Detector at Fermilab，CDF）的大家伙，就在距离D-Zero探测器两千米外的草甸之下。这两台探测器都聚集了来自数十个国家的上百位科学家。

    今年春季，CDF的物理学家宣布，他们在数据中发现了一个新粒子的迹象，这是不是Tevatron回光返照，终于找到了那个传说中的希格斯玻色子的踪影？德尼索夫和D-Zero研究小组的同事立刻着手复核CDF的结果，虽然截至本期《环球科学》付印之际，还没有关于这次发现的最终结论，但起码有件事是很清楚的，那就是加速器之间的你追我赶远未结束。

    “我想打败德尼索夫他们，”CDF的负责人罗布·罗塞（Rob Roser）说，“当然他们也想打败我们。虽然我们之间关系融洽，可以畅所欲言，虽然我们是朋友，但在心里我们总想打败对方。现在情况变了，LHC代替德尼索夫成了‘坏人’，我绝不想看到LHC击败我俩中的任何一个——这就像兄弟俩，谁都不能碰我弟弟一根指头，只有我可以。”

    旧的竞争项目即将偃旗息鼓，而新的项目则刚刚展开，费米实验室正经历着一段挣扎时期，这也可以说是整个粒子物理学界的现状。物理学家等待一部能拓展物理研究疆域的机器已经很久了，假设LHC能在接下来的两年内如期将碰撞能量加倍，那可供遐想的发现真是不胜枚举：额外维度（extra dimensions）、超对称（supersymmetry，该假说认为所有已知粒子都有一个超对称伙伴），还有希格斯玻色子，最棒的是能有一些完全意料之外的新发现。

    但还有另一种经常被忽略却无法被否定的可能存在——无论是LHC，还是费米实验室后Tevatron时代的粒子物理实验计划，它们是否会在十年内一无所获？

未知的宿命

    曾几何时——其实也没那么久——物理学家对Tevatron也充满着就像现在投注到LHC上的众多期望。在LHC开启之前15年，费米实验室的物理学家就认为，Tevatron也许能捕获希格斯玻色子，找到超对称，发现暗物质起源，等等等等。

    希格斯玻色子的发现除了能获得诺贝尔奖，还将为物理学的这段空中楼阁岁月做一个了断。希格斯玻色子是标准模型（Standard Model）中缺失的最后一块拼图，标准模型构建起的理论大厦，用17种基本粒子间的相互作用来描述整个宇宙，它将4种基本自然力中的3种统一起来，这3种力是束缚原子核的强力、描述原子衰变的弱力以及我们熟悉的电磁力（引力是唯一一个超出标准模型的基本力）。理论物理学家差不多在40年前就为标准模型大厦落成剪彩了，自那之后，它的每个理论预言都得到了实验上的证实。

    1995年，CDF和D-Zero小组发现了顶夸克，为标准模型再添一个令人叹服的佐证——早在1973年，标准模型就预言存在这种质量很大的基本粒子。在寻找顶夸克的竞赛中，Tevatron击败了欧洲的超级质子同步加速器（Super Proton Synchrotron），后者现在为LHC提供粒子束流。顶夸克的发现是Tevatron最重要的成就，它表明标准模型在描述宇宙性质上异乎寻常的精准，起码在物理学家用最好的加速器能够达到的能量尺度上确实如此。

    此后经过5年的更新升级，2001年，这台当时世界上最好的加速器性能更加出色。物理学家希望改进过的Tevatron不仅能发现希格斯玻色子，为标准模型添上最后一块拼图，而且能揭示超出标准模型的一些新现象。因为物理学家从标准模型的预言能力上得知，它肯定不是对宇宙的完整描述，这座恢宏的大厦还存在两个引人注目的缺口：一是标准模型无法解释暗物质，暗物质会影响星系运行，但与普通物质似乎无引力之外的任何相互作用；二是标准模型没有考虑暗能量，这种稀奇古怪的能量形式似乎是导致宇宙加速膨胀的罪魁祸首。

    但这次更新升级却未能让Tevatron更进一步，跨越它曾细致验证过的标准模型。“我们在10年前就希望能突破标准模型的藩篱，直到今天仍未成功，”费米实验室的理论物理学家鲍勃·奇尔哈特（Bob Tschirhart）对此颇有感触，“但肯定还有一个未被发现的存在层面，因为标准模型虽然做出了许多很棒的预言，但是它的缺陷也很明显。它就像一个有着严重智能障碍却很天才的学者。”

    从某些方面看，Tevatron的遗产是一张表明标准模型行为超级良好的证明，这当然是个重大成就，但远非设想中的最终目标。“我们曾希望它能发现希格斯玻色子，十拿九稳的那种，”斯蒂芬·姆赖瑙（Stephen Mrenna）说，他是费米实验室的计算物理学家，上世纪90年代中期加入Tevatron项目。“还有超对称，”他接着说道，“也在我们的愿望清单上。”

    物理学家现在转而希望LHC能在Tevatron失败的地方取得胜利，带领物理学进入新的疆域，发现最终有可能取代标准模型的新理论的蛛丝马迹。和绝大多数同事一样，姆赖瑙相信，LHC发现希格斯玻色子是迟早的事。“如果要打赌的话，我认为不是今年就是明年。”姆赖瑙说，“我的观点是，如果我们找不到希格斯玻色子，我们就无法做出新的重大发现。”

    也许真的什么都找不到，这是个值得考虑的问题。一部分物理学家怀疑，有一片“能量沙漠”横亘在我们目前能触及的能量上限和蕴含新物理现象的能量下限之间。假如这片沙漠真的存在，那么至少要再等上几十年才谈得上有什么新发现。虽说LHC是有史以来最具威力的加速器，但它能带领我们进入另一个实在层次吗？关于这一点，LHC并没有带给物理学家足够的信心。

    真正的屠龙宝刀是超导超级对撞机（Superconducting Super Collider，SSC），它87千米的环形隧道让LHC也相形见绌。超导超级对撞机能产生3倍于LHC能量上限的粒子束流，虽然该项目已经在美国得克萨斯州小镇瓦萨哈奇开始建造，但其高昂的费用最终让美国国会于1993年中止了该项目。在姆赖瑙看来，“从一开始，超导超级对撞机的设计就着眼于接近大家公认肯定会有新现象出现的能量范围，它才是我们的最佳选择，LHC只不过是它的一个小表弟。但就目前而言，LHC已经很不错了。”

    当然，是否真的“很不错”，还要取决于最终结果。姆赖瑙接着说道，如果LHC在希格斯玻色子和其他新现象的搜寻中也败下阵来，那么物理学家就很难再为建造下一代加速器的巨额花费给出理由。“人们会问，寻找希格斯玻色子跟美国经济啦，反恐战争啦，这个那个的有什么关系？”姆赖瑙说，“目前我们的说法是，新发现和新知识对每个人都有益。大众想知道宇宙如何运行，我们则能通过新项目训练更多物理学家。把最聪明的人聚集到一起，然后扔给他们一个难题，这种做法总是没错的，因为最后总会从中衍生出一些有用的东西来。但从某些角度来看，物理学与我们的生活的确已经渐行渐远。”

    这意味着即使真的面对能量沙漠，我们可能也无法说服大多数人，让他们相信穿越它是多么必要。“实际上我自己是超导超级对撞机的信奉者，”姆赖瑙感叹道，“该项目的最后一年，我在那里进行博士后工作，此后我熬过了职位难寻的萧条期，一直等着有能替代它的项目出现。我们需要一次胜利，我们必须找到一些新东西。”

来生

    世界上第一台加速器由美国加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家厄内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）于1929年建造，他管自己的装置叫“质子的旋转木马”。这台“木马”直径只有12厘米，材质是黄铜，用胶和玻璃密封，总造价约为25美元。近80年后启动的LHC，造价10亿美元，它的建设必须通过国际合作才能完成，占地面积几乎和一个小镇相当。即使LHC大获成功，在短期内再建设一台相同规模加速器的希望也很渺茫。

    对此，费米实验室主任皮尔·奥多内（Pier Oddone）的说法是：“我们知道怎样把能量上限提高10倍，但代价是要多花10倍的钱，而眼下的开销已经接近所有国家愿意投入的极限值了。”

    在接下来的10年以及更长时间内，美国的主要物理学设施都将生活在LHC的阴影之下。 奥多内称，费米实验室接下来将着眼于其他各种项目，而如果Tevatron仍在运行的话，这些项目很可能难逃被推迟或取消的命运，但无论怎样求新求变，眼前的形势都一目了然：全球粒子物理研究的中心已然斗转星移了。“在理想世界里，我们不用牺牲任何其他项目来保持Tevatron继续运行，”奥多内说，“但当时我们没这笔钱。”费米实验室现在的实验对象是中微子，这可能是所有基本粒子中被研究得最少的一种，中微子从费米实验室的一个中微子源发射出来，穿透700多千米的地层，射向明尼苏达州一个矿坑中架设的探测器。除此之外，费米实验室的科学家还将参与“暗能量巡天计划”（Dark Energy Survey），从天文学角度对暗能量的本质进行探索。

    但作为整个机构而言，最高的目标远非这些，而是有朝一日能夺回世界上威力最大加速器的头衔。奥多内希望，在2020年之前，费米实验室能完成名为X计划（Project X）的加速器的建设工作。作为一台长度超过1.5千米的机器，X计划的短期目标是为费米实验室的中微子及其他粒子研究提供粒子源，而在长期目标中，它将作为一台较小的模型来测试新的加速器技术，以便有朝一日能依靠这些技术建造出成本合理的后LHC时代加速器。

     “X计划是我们重返高能物理研究前沿的跳板，”项目主管斯蒂夫·霍姆斯（Steve Holmes）如此评论X计划，“这是一个取得并保住领导地位的机会，每当午餐饭桌上有人问我对前途怎么看，我会告诉他们美国引领世界高能物理学界已经70年了，这是物理学最为基础的研究领域，作为一个超级大国，我们必须有称雄于此的野心，所以虽然我不能预言这一天何时到来，但这只是时间问题。”

    不过，Tevatron可能还没有到诉说临终遗言的时候——德尼索夫、罗塞以及为Tevatron两个探测器工作的同事此前搜集的数据，已经够他们在加速器关闭后再忙活至少两年。如此海量的数据将对LHC的前期发现起到参照验证的作用，而且说不准藏着一个新结果的某块硬盘还在费米实验室里落灰，正等着重见天日。毕竟在刚刚过去的这个春天，有那么一小会儿，Tevatron曾给过物理学家一窥标准模型之外的希望。

    今年4月，罗塞的CDF小组宣布他们在数据中发现了一种新粒子，或者说一种新自然力存在的证据，令人振奋不已。在数量很少但从统计角度上讲却非常显著的几起事例中，物理学家观察到数据中出现了几个峰值，这些峰值指向标准模型预言之外的粒子，它们看上去是某些大质量粒子的衰变产物，而这些大质量粒子也许正是希格斯玻色子的未知形态。

      5月底，CDF小组对数据进行了再次分析，罗塞当时表示他们“又得到那几个峰值”。但此后不到两周，罗塞的老同事兼老对头德尼索夫就宣布，D-Zero小组完成了对CDF数据的一次独立分析，在记者招待会上他告诉大家：“我们什么都没发现。”

    现在还不知道进一步的复核是否会确认这些峰值，上述两个研究小组正在比较他们的结果，以便弄清CDF小组的分析是不是有误；当然，也有可能是D-Zero弄错了。所以眼下看来，物理学的新纪元犹抱琵琶，继续维持着已经超过30年的待起跑状态。这些峰值如果是分析错误，那Tevatron可以说是晚节不保。对它而言，只有发现希格斯玻色子才是最好的谢幕。一两年之内，我们就会知道LHC能不能做得更好。