醋醋 | 美国为何不建对撞机（上）_风闻

今天敲钟人不来-2020-01-01 17:51

2020-01-01

来源 | 醋话集（cuhuaji），已获授权

前情提要：

擅使数学葵花剑的国际超弦教，为解难言之隐，联手高能物理界，前来中国寻枪，被杨振宁等科学家极力阻止：这柄枪极其昂贵，就算造出来了，基本上也没啥（luan）用。

然而一位网管小哥，差点让超弦11维时空梦想成真。

实验没有问题，我们观测到了超光速。

作为深受业界尊敬的严谨科学家，他平静地宣布了第二次实验结果。

两年前，当他第一次观测到中微子速度超过了光速，震惊程度与全世界一样——这不可能是真的，爱因斯坦相对论光速上限摆在那儿呢。

他是意大利大型中微子振荡实验（OPERA）小组领导人安东尼奥·伊拉蒂塔托(Antonio Ereditato)。过去两年中，他托率领180名研究人员，观测到了16000次“超光速”现象。

醋醋的朋友房师说，哪怕是“你懂的”快乐，当你经历16000次之后，也都麻木了。

这个小组又反复检查了六个月，排除了所有可能的实验误差，包括月球潮汐影响，地球自转影响，地震影响，温度和云层对GPS信号传递的影响等等。考虑到所有这些后，实验小组相信这一结果的置信度达到99.9997%。

伊拉蒂塔托决定公开这个石破天惊的消息。

180名研究人员郑重其事签名，在世界上最权威的科学杂志之一《自然》发表他们的论文：

人类步入超光速时代。

果然全世界一片哗然，物理学家们脸上写着大大的两个字“不信”。

伊拉蒂塔托换了一班人马，重复了实验，在精确性、统计分析等多方面得到改进，他拍着胸脯信誓旦旦保证：

“我们对实验结果非常有信心。我们一遍又一遍检查测量中所有可能出错的环节，却什么也没有发现。我们想请同行们独立核查”。

这不是科幻小说。

事情发生在2011年，OPERA小组于当年9月22日公开超光速消息，在11月17日再次确认实验没错，实验过程是这样的：

位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN），利用超级质子同步加速器（SPS），生成定向的μ子中微子束，飞向730公里之外的意大利大萨索山。

山的那边有意大利格兰萨索（GSNL）国家实验室。就在地下1400米深处，一套重达1800吨的的电子照相装置严阵以待，OPERA小组用其观测来自CERN的中微子束。

中微子，宇宙中最多的物质粒子，每秒万亿计中微子穿过我们的身体，我们对此毫无察觉，有“幽灵粒子”之称。

OPERA小组只能捕获到极少的幽灵粒子，由于超强的穿透性，绝大多数中微子穿透了地球，奔向茫茫太空。

让他们懵逼的是，这些中微子以光速的1.0000248倍运行，每秒比光子快了7.4公里。

超光速消息宣布3周后，全世界最大的科学论文网站arxiv给出了80多种解释，其中最激动人心的是超弦多维空间。

CERN发出的中微子有可能振荡成了一种惰性中微子，它可以在多维空间中“抄近路”，然后再振荡回普通中微子，这样看起来中微子就跑得比光快了，同时还不违背相对论。

超弦教一片欢呼，多年的猜想有望获得证实，还顺带拯救了相对论。

美国费米实验室威胁要重复实验，不过他们从头开始需要两年时间。

世界没有等到那一刻。2012年2月22日，CERN在另一本权威科学杂志《科学》上公布了调查结果，OPERA小组错了，原因如下：

他们的GPS光缆与一台电脑的集成电路卡连接不良。

千算万算，谁都没算到网管的机房布线帮了中微子的忙。

网管小哥以一己之力，推动人类进入超光速时代整整5个月。

美国关停本土最大对撞机

中微子超光速事件是科学史上罕见的乌龙，让负有领导责任的欧洲核子研究中心（CERN）脸上无光。

4个多月后，欧洲大型强子对撞机（LHC）发现了有“上帝粒子”之称的希格斯粒子，为CERN扳回一城。

希格斯粒子与中微子，标准模型61个基本粒子中最特殊的两个。一个“上帝粒子”，一个“幽灵粒子”，代表了当前基础物理学两大研究方向。

有了前车之鉴，CERN在2012年7月4日发布新闻字斟句酌，不敢把话说满了，强调这是疑似上帝粒子的新亚原子粒子。

CERN有说不得的苦衷。就在两天前，又是费米实验室挑事，在2012年7月2日宣布其数据接近证明上帝粒子，CERN不得不冒险跟发新闻。

如果费米实验室的粒子对撞机Tevatron真的发现了上帝粒子，前前后后投入100亿美元的LHC将是有史以来最昂贵的陪练。

CERN提心吊胆，反复测算了8个多月，终于在2013年3月14日确认，新粒子就是上帝粒子。

所幸这段时间，费米实验室没有出什么幺蛾子。

CERN与费米实验室的竞争由来已久，早在2009年2月，费米实验室就放风Tevatron发现上帝粒子的概率，最坏的情况下为50%，最理想的情况下是96%。

英美一家亲，英国媒体趁机煽风点火：CERN在竞争中已经处于劣势，美国Tevatron有可能后来居上。

面对美国的诈胡，欧洲人只能干着急，因为他们的LHC在2008年9月开机运行没多久，就经历了一连串事故，让计划一拖再拖。

2008年9月10日，LHC启动当天，就遭遇黑客入侵，距离探测器的计算机控制系统仅“一步之遥”。

2008年9月17日，一台30吨重的变压器发生故障，工程人员18日更换了变压器，才令对撞机重新启动。

2008年9月19日，由于焊工手艺不精，两块磁铁之间的电连接部件出现故障，导致1公吨液态氮渗入隧道，LHC紧急关闭长达一年之久，吊足了全世界的胃口。

LHC焊接事故泄露液氮

**据说CERN存在一条鄙视链：**搞理论的瞧不起搞实验的，搞实验的瞧不起搞工程的，搞工程的瞧不起搞维护的，搞维护的瞧不起焊工网管，焊工大叔与网管小哥瞧不起全世界。

美国费米实验室瞧不起CERN。

趁你病，要你命。抓住CERN抢修LHC的空档，费米实验室加快了Tevatron的研究，它已经运行了25年以上，逼近退休。

“这是一项激烈的竞争，是谁取得胜利就是谁取得胜利，来不得半点虚假。”2009年2月，费米实验室的德米特里·德尼索夫（Dmitri Denisov）透露，欧洲那边，CERN在争分夺秒解决故障，甚至放弃了圣诞节休假两月的一贯做法。

这种加班精神，让国内996们佩服不已。

德尼索夫是Tevatron巨型探测器D-Zero的负责人，另一个巨型探测器CDF负责人罗布·罗塞（Rob Roser）是他的竞争对手，LHC的出现让两人“化敌为友”。

罗塞说，“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。”

然而团结一致的Tevatron终于未能回光返照，它于2011年10月1日停止运行，终年28岁，关闭前没有发现上帝粒子。

当美国能源部决定关闭Tevatron时，一些物理学家依依不舍，恳求再宽限它3年寿命，以对希格斯粒子做最后一搏。

谁说科学家都是冷冰冰的，他们对常年相伴的机器感情笃厚。

CERN科学家理查德·雅各布松(Richard Jacobsson)照管一台粒子探测器长达十年，对它的每一寸构造都了如指掌，甚至了解它的心情和癖性。

当工程人员来拆卸它更换成LHC的时候，雅各布松情难自禁。“泪水在我眼睛里打转，”他说，“当他们切断电缆的时候，我总以为会有血喷出来。”

Tevatron虽死犹生，它留下了大量数据遗产，让费米实验室还能再忙活至少两年。

导致Tevatron寿终正寝的最大原因，并非它老旧无法运行，也不是LHC的竞争压力，而是……省钱，费米实验室一个实验启动需要经费。

这就是上面说的重复意大利OPERA小组的中微子实验，名叫MINOS，看看到底有没有超光速。

虽然CERN主动认错，美国也未止步中微子实验，反而越做越大。MINOS之后是Nova中微子实验，接下来的“深地下中微子实验(DUNE)”，成为美国物理未来几十年的旗舰项目。

2019年12月18日最新消息，日本拟建全球最大中微子探测器，于近日批准了“顶级神冈”中微子探测器建造计划。

中微子，到底是何方神圣？

天不变道亦不变

1940年，中国大地烽火连天，日寇铁蹄踏遍华北华东。

中国最优秀的一批知识精英，被转移到西南腹地，延续文明的火种。

除了著名的西南联大，浙江大学师生也在西迁之列，他们跋山涉水，奔赴一方净土。

浙江大学遵义校址

浙江大学物理系教授王淦昌走建德、过吉安、赴宜山、抵遵义，一路颠簸流离，劳累过度，加上营养不良，生活困难，抵达遵义时，他患上了肺结核。但他躺在病榻上，仍以惊人的毅力对中微子问题苦苦思索。

中微子关系能量守恒定律的生死存亡。学过中学物理都知道，这是自然界的基本定律，能量既不能自生也不能自灭。

董仲舒向汉武帝上《举贤良对策》说：

道之大原出于天，天不变，道亦不变。

道就是定律。海可枯，石可烂，定律不可移。

一切实体都在变化，不变的是背后的定律。道之恒常，搅动的是人生无常。

读罢《红楼梦》，你会感叹人生如梦亦如幻。人如是，原子核也如是。

不稳定的原子核，会放射出粒子或能量变成另一种元素，这个过程叫衰变。共有α、β与γ三种衰变，其中β衰变最不老实，总是搞事，第一次就差点把能量守恒挑落马下。

当原子核放出β粒子即高能电子，发生β衰变后，科学家大吃一惊，β射线是连续的，这意味总能量比衰变前要低。

一部分能量凭空消失了，这是不亚于超光速的震撼事件。

天变了？这一次，实验没有错，科学家们争吵了10年，终于在1924年，量子力学之父玻尔打算放弃能量守恒，他提出了一个假说。

能量在单个微观相互作用可以不守恒，而只需在统计意义上守恒。

玻尔这种和稀泥的解释无法服众，又是坏脾气的泡利首先开火，他直言玻尔在玩危险的游戏。

泡利号称“拳打爱因斯坦，脚踢玻尔”，是物理学江湖知名的自负天才，曾提出“泡利不相容”定理扬名立万，而为人也如此，以批评尖刻、不留情面著称。

1931年，泡利“孤注一掷”，提出一个补救办法，β衰变中，还释放出了没有电荷质量很轻的未知粒子，它神不知鬼不觉逃离现场，并盗走了那部分消失的能量。

原子能之父费米对假说给出了数学描述，并将这个未知粒子命名为中微子。

中微子太神秘了，当时任何仪器都检测不出来蛛丝马迹，连泡利自己都信心不足，他甚至以一箱香槟打赌，人类永远都不能发现中微子。

但泡利提出了一个实验上可以检验的预言：如果能量守恒，β射线谱应该有明晰的上限，而不是一个强度逐渐减弱的长尾巴。

当时王淦昌在柏林大学就读，师从犹太裔女物理学家迈特纳（l.meitner），在其指导下，他选取镭E的β谱进行研究，用自制的计数管测量，精准得出其β谱上限。

1932年1月，王淦昌在德国《物理学期刊》第74卷上发表题为《关于镭E的连续β射线谱的上限》的论文，历史上第一个证实了泡利关于β谱有明晰上限的预言，有力地支持了中微子假说。

此后埃利斯（c.d.ellis）、莫特（n.f.mott）与亨德森（w.j.henderson），都做了类似的实验，得出了一致的结果，玻尔假说不攻自破。

爱因斯坦痴迷大统一，玻尔挑战能量守恒律，这两位物理学的泰山北斗，到达巅峰后的封神一战，都败得灰头土脸，与凡夫俗子无异。

1942年发自中国西南的论文

然而，这些实验只是捍卫了能量守恒定律的神圣不可侵犯，中微子在哪还找不着北。

中微子是如此难找，在微观层面上引力可以忽略不计，剩下的三大基本力电磁力、强力与弱力，只有弱力才能掀开中微子一点衣角。

β衰变就是由弱相互作用引起的，俗称弱力。

电磁力，让我们看见光。当恋人拥吻，实际是电磁力在传达绵绵情意，让彼此感觉到触碰与心跳。

中微子拒绝电磁力鸿雁传情，她就是永远触不到的梦中情人。

在当时条件十分艰苦的遵义，王淦昌冥思苦想的就是如何捕捉这个神秘的中微子。在思考了一年之后，他有了一个极富创举的想法。

**核范围内不光能量守恒，动量也要守恒。**能量守恒的本质是时间对称，自然规律在几亿年前与今天一样；动量守恒的本质是空间对称，自然规律在几亿光年外与地球上的一样。

普通β衰变让一个原子核母体产生了三个子体，即电子、反冲原子核与中微子，人们观测前两者的动量和能量，来测算中微子的存在数据。

麻烦的是，这就如星球的三体运动一样难解，王淦昌注意到一种特殊的β衰变，就是原子核俘获核外轨道电子，只产生中微子和反冲核两个子体，三体运动变成了二体运动。

三体人：又躺枪，关我毛事

这种运动，往往是原子核俘获最靠近它的K层轨道电子触发，因此也叫做K俘获β衰变。

如此一来，反冲核的能量和动量仅仅依赖于所放射的中微子，测算反冲核的数据，就能倒推出中微子的庐山真面目！

王淦昌不仅给出了中微子的测算思路，还建议用铍-7做实验，它是最轻元素的放射性同位素中的一个，核的质量愈轻，则它所经受的反冲作用也越显著。

而铍-7，正是通过K俘获的方式衰变成了锂-7。

这已经是一个可执行的实验方法，唯一的问题是，当时积贫积弱战火燃烧的中国根本不具备实验条件。

抚平心中的无奈与惆怅，王淦昌写成论文《关于探测中微子的一个建议》，于1941年10月13日寄到美国《物理评论》，并在1942年1月发表，希望美国同行完成他的实验。

美国物理学家阿伦（J.S.Allen）立即按照王淦昌的建议进行实验，并很快取得肯定结果。两个月后，即1942年3月16日，阿伦把他的题为《一个中微子存在的实验证据》的论文寄到《物理评论》，并在该刊1942年6月发表。

阿伦在文中一开始就明确指出，这个实验是王淦昌最近建议的。

“王淦昌－阿伦实验”是世界上第一个比较确切地验证中微子存在的著名实验，可惜实验精度不够，未能测出单能反冲。

后来许多人继续工作，直到1952年，雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis）终于做成功。

撩开她的面纱

这还不是最理想的结果，王淦昌提出的实验构思，只能间接看到中微子逃逸后的尾迹，人们梦想将中微子拥入怀中，撩开她的面纱，一睹芳容。

难办的是，中微子是典型的冰美人，拒人光年之外，其平均自由程λ≈4.7x10^14公里，这意味着，在穿越一千亿个地球之后，平均一个中微子才可能与一个原子核发生亲密接触。

人们对此几乎绝望，直接窥探中微子的萍踪魅影，简直是不可能完成的任务。

1947年3月，王淦昌在美国《物理评论》上发表论文《建议探测中微子的几种方法》，又提出一个全新的思路：

通过重原子核裂变，产生极快极多的中微子，去打靶探测器产生核反应。

不能让一个中微子穿越一千亿个地球，那就让一千亿个中微子穿越一个地球。

例如一个装满水的探测器的长度为10厘米，当有5x10^18个中微子通过该探测器时，就有一个中微子能够在探测器中产生核反应。

弱水有三千，只取一瓢饮。

王淦昌提出的这个思路，对于中微子实验影响深远，上文提到的美国与意大利的21世纪中微子实验，本质上也是这种探测方式。

但王淦昌还是只能停留在纸上，当时中国正在打内战，哪有条件玩核裂变。

这一次又是美国人捷足先登。1953年，在萨凡纳河核电厂的地下室里，柯温(C.L.Cowan)和莱茵斯(F.Reines)实施了他们的“鬼魅计划”。

他们建造了一个中微子探测器，用水和氯化镉配成溶液，其中置入三个液体闪烁计数器。

萨凡纳河核反应堆每秒能产生一百万亿个反中微子，它们轰击水中的氢原子核即质子靶，产生中子和正电子。中子被镉吸收，正电子与水中的电子湮灭，释放出光子产生γ射线，令闪烁液体发出荧光。

本来不发光的中微子，通过一系列关联反应发光，暴露在人类的肉眼之下显出真身。

实验进行了3年，到了1956年，柯温和莱茵斯每小时可以俘获3个中微子，通过足够多的样本测出中微子的截面值，与理论预期吻合得很好。

又过了将近40年，诺贝尔奖委员会才确认了这次中微子的发现，给莱茵斯颁发了1995年的诺贝尔奖。而此时柯温长眠地下已有21年。

日本超级神冈中微子实验室，布满了光传感器小球

1956年是一个神奇的年份，柯温和莱茵斯发现中微子**，β衰变的宇称不守恒，也在这一年发现。**

这一次老天没有亏待中国人，发现者就是杨振宁与李政道，他们凭此获得了第二年的首个华人诺贝尔奖。

宇称不守恒，也就是左右不对称，本质上是只有左手旋中微子，没有右手旋中微子造成的，中微子打破了宇称的对称性即对称破缺。

消息传出后，泡利第一个不相信，他好不容易把中微子引进来捍卫能量守恒，这小子居然不是卫道士，而是披头士。“上帝不可能是一个左撇子！”泡利坚信，只有左手右手一个慢动作，才能带给你快乐。

然而很快另一位华人科学家吴健雄女士出手，她用无可争议的实验证明了宇称不守恒，泡利只好举双手投降。

值得一提的是，在杨振宁李政道1956年发表论文前几个月，另一位前苏联物理学家皮亚捷茨基-沙皮罗(Piatetski-Shapiro）也写好了差不多同样的论文，寄给当时苏联物理学扛把子朗道，后者眼皮一翻，就扔到了一边。

当然后来朗道肠子都悔青了，他只好安慰沙皮罗，宇称守恒（P）这小子是有点皮，但是电荷守恒，即电荷有正负（C）还是有操守的，用C来调教P，这对CP一定守恒，天长地久不分手。

朗道再一次遭受打击，1964年两位美国核物理学家詹姆斯·克罗宁（James Watson Cronin）与瓦尔-菲奇（Val Logsdon Fitch）发现CP也不守恒即CP破坏，是谁棒打鸳鸯拆散了这对CP？目前公认的重点嫌疑对象仍是中微子。

能量动量守恒这样的全域对称性，保证我们世界根基的稳定，是道亦不变，易之不易；宇称在β衰变中不守恒，这样的局域对称性，催生了世界的变化，是人之无常易之易。

**静若处子，动如脱兔。**世界在对称与对称破缺中平衡发展。

而CP不守恒更加不得了，它是我们世界赖以存在的基石。

叫一次王淦昌同志

抚今追昔，如果当年是一个富强的中国，给予王淦昌优良的实验条件，他很可能就拿到了这发现中微子的诺贝尔奖。

或许王淦昌根本就不在乎诺奖的荣耀呢，1959年他发现了世界第一个反西格马负超子，轰动了整个国际物理学界，如果继续研究下去，诺贝尔奖就在前方。

然而短短两年后，正值巅峰时期的王淦昌突然消失，就如中微子一样当了“隐身人”，连家人都找不到他，大漠深处却多了一个叫“王京”的老头。

原来1961年4月，王淦昌受命秘密参加原子弹研制，奔赴大西北核试验基地，负责物理实验方面的工作。时任第二机械工业部部长刘杰问他是否愿意改名，王淦昌的回答只有短短6个字：

我愿以身许国。

在离诺贝尔奖最近的时候，他选择了放弃，用生命中最辉煌的岁月，隐姓埋名搞科研，托举起一个国家的核大国地位。

他没有过怨言，直到一年除夕夜，才终于真情流露，他和他的学生邓稼先在帐篷里喝酒，邓稼先哽咽着说：

叫了王京同志几十年，今天，叫一次王淦昌同志吧。

两人相拥而泣。

由于消失在国际物理界太久，王淦昌早年对发现中微子做出的巨大贡献，也逐渐被人们遗忘，如提到中微子的存在实验时，往往只有戴维斯的工作，却把王淦昌的原始构想忽略了。

有感于此，对王淦昌充满敬意的杨振宁心怀不平，他与中科院高能物理研究所教授李炳安合写了一篇文章《王淦昌先生与中微子》，发表在中国《物理》杂志1986 年15 卷12 期上，澄清了这一历史事实真相，并广泛引起了世人的注意。

1994年，浙江大学科技哲学硕士刘宏葆，与浙江大学哲学社会学系副教授何亚平合写了文章《王淦昌与中微子的早期研究》，发表在《自然辩证法通讯》第16卷第6期上，进一步全面细致地梳理了王淦昌的中微子研究贡献。

我国还有很多科学家遭遇了类似王淦昌的不公，如物理学家赵忠尧，1930年首次观测到正反物质湮没，发现了反物质正电子，却错失1936年诺贝尔奖。现在闹得沸沸扬扬的环形正负电子对撞机（CEPC），其研制的理论基础就来自于他。

半个多世纪后，当人们重新审视当年的诺贝尔评奖过程，发现了赵忠尧的贡献，这其中就有杨振宁、李炳安合写文章廓清事实。李政道也不遗余力在各种场合，澄清这桩历史公案。

回顾这些科技史，并非是贬低国外科学家的工作，而是要还历史本来面目。

长期来看，历史是公平的，历史也不会忘记，尽管王淦昌两次与诺贝奖擦肩而过，但他获得了比诺贝尔奖更大的荣耀——

两弹元勋。

王淦昌先生（1907年-1998年）

挖出8艘航空母舰

如果你记住了王淦昌的名字，不要回头，前方中微子有更大的惊喜。

美国南达科他州霍姆斯特克（Homestake ）矿山，运营着北美埋藏最深、最富有的金矿，拥有126年的开釆史。

2001年霍姆斯特克矿山关闭，五年后，Barrick Gold矿业公司将该矿产捐赠给了南达科他州作为地下实验室。同年，慈善家桑福德（T.Denny Sanford ）给该项目捐赠了7000万美元，因此，实验室在建成后以桑福德来命名。

2017年7月21日，一向平静的实验室迎来喧嚣。

一群科学家、工程师和应邀的社会显要人物聚集于此，他们乘坐一个简陋的升降机，下到约1500米深的矿洞中，见证桑福德地下实验室扩建开工。

这里将安放美国有史以来最大的中微子探测器，进行“深地下中微子实验(DUNE)”，承载未来几十年美国物理界的希望。

在这个地下洞穴中，科学家们铲开第一锹土，随后工人们需要挖掘80万吨岩石，相当于8艘尼米兹级航空母舰的重量，再运进7万吨液氩。

3500辆20吨重型卡车满载液氩，从墨西哥湾沿岸和东海岸出发，将液氩运至霍姆斯特克矿山。为减轻管道压力，工作人员会将液氩转换为气体，通过管道送到地下，并在零下185.8°C的低温下重新冷凝成液体，注入四个接近四层楼高的超纯液氩大罐，其纯度只含万亿分之一的杂质。

据费米实验室工程师，低温基础设施LBNF项目经理戴维·蒙塔纳里（David Montanari）估计，填充满一个液氩大罐需要7个月至一年的时间。研究人员计划2019年开始构建DUNE探测器，并在2024年完成。

DUNE实验只是一个更大型项目LBNF/DUNE的一部分。

LBNF是指长基线中微子设施，位于费米实验室，一旦DUNE实验室⁮建造完毕，费米实验室会在2026年发射世界最强的中微子束，通过地下射向距其1300公里重达7万吨的DUNE探测器。

届时无穷无尽的氩原子将与中微子发生相互作用，从而被科学家们探测到。

LBNF/DUNE主要由美国能源部资助，预计总投入15亿美元，不算夭折的超导超级对撞机（SSC），这是迄今美国高能物理界最昂贵的一笔投资。

桑迪飓风刮不走的会议

2012年10月29日，周一，百年难遇的桑迪飓风袭击了美国东海岸。

长岛断电，一片漆黑，犹如世界末日。长岛—芝加哥的航班也被取消了。

布鲁克海文国家实验室的物理学家米林德·迪万（Milind Diwan）与14位科学家被困长岛，无法前往芝加哥郊外的费米实验室参加项目评审会议。

长基线中微子实验（LBNE）项目是LBNF/DUNE的前身，迪万是LBNE项目联合发言人。

飓风袭击之下，迪万等人只能通过手摇发电机给手机充电，全天远程参与评审会发表专业意见。这很不容易，要全力摇动15分钟才能获得一格电量，科学家们干的就是体力活。

2012年10月29日，纽约，被吹倒的树和输电线

他们不能放弃，LBNE项目生死一线，成败在此一举。

受SSC中途下马的影响，美国政府对大型基础物理实验犹豫再三，致使LBNE项目审批过程一波三折。

因为12-15亿美元的高昂预算，2010年美国国家科学委员会打回了实验计划，将其转给美国能源部。随后，物理学家和美国能源部官员进行了讨价还价。

2012年初，传出消息能源部官员打算终止为中微子实验提供经费，因为预算已经捉襟见肘。

针对能源部2013年高能物理学研究预算，当年的美国总统奥巴马大笔一挥削减了600万美元，减至7.57亿美元，跟过去10年相比缩水了15%。LBNE项目费用在能源部的预算中占很大比重。

时任费米实验室主任皮埃尔·奥多纳（Pier Oddone）很无奈，鉴于高能物理学研究经费未来10年不可能增加，对于启功这样一项大规模研究计划，能源部可能无钱可用，他指出：

管理层关注的是先进的制造和能源技术，高能物理学和核物理学研究面临压力。

来自大约75个研究所的450多名科学家参加了LBNE合作，能源部的表态让美国物理学界炸开了锅。2012年1月，40多名著名理论物理学家据理力争，致信能源部科学办公室负责人威廉·布林克曼（William Brinkman），呼吁为这项实验提供经费。

这封请愿信共有3名诺贝尔奖得主签名，其中就包括标准模型奠基人之一斯蒂芬·温伯格（Steven Weinberg），他在1987年推动了超导超级对撞机（SSC）上马。

物理学家们做出了让步，提出了多个廉价的分阶段折中方案，甚至委曲求全要在地面上放置便宜的探测器，能源部勉强通过了第一阶段审批。

2012年10月30日星期二，美国能源部对LBNE项目进行至关重要的第二阶段评审会。

桑迪飓风也未能让评审会延期，科学家的坚持换来了回报。2012年12月，能源部通过了二阶段审批，同意科学家们建立近地表中微子探测器。

尽管相比初始计划大打折扣，迪万依然很高兴，称这是十多年来的一个里程碑。

重重压力下，奥多纳于2012年8月宣布将于2013年7月1日退休，结束了对费米实验室长达8年的领导，专心科学写作与打理私家葡萄园。

奥多纳撂挑子不干，费米实验室董事会只好发起全球猎聘，在物色了9个月人选后，终于锁定了物理学家奈杰尔·洛克耶（Nigel Lockyer）。

洛克耶有两重身份，他是费米实验室的熟面孔，之前在Tevatron对撞机的CDF探测器上研究了22年。同时他也是加拿大粒子与核物理国家实验室TRIUMF负责人，是一位国际友人。

事后证明，费米实验室董事会的眼光很准，推动LBNE变身LBNF/DUNE项目上马，洛克耶的国际身份功不可没。

2015年1月，经过长达3年的博弈，能源部不仅批准了计划，还同意将实验恢复到初始范围，将地表探测器换成昂贵的深地下探测器，经费达到上限15亿美元，于是才有了上文的一幕。

至此，美国资助高能物理的战略路线清晰可见：

1993年美国国会下马耗资20多亿美元的SSC，还专门拨款6.4亿美元把挖好的隧道填掉，够狠。

2011年美欧竞争发现希格斯粒子，战斗正酣之际，美国悍然封存Tevatron，给中微子实验让路。

2015年美国能源部将不多的预算押宝LBNF/DUNE中微子实验。

美国高能物理的战略路线图呼之欲出：

坚决不走对撞机道路，集中力量瞄准中微子开火。

在2011-2015这四年时间，是什么原因让美国态度发生180度翻转，决定投入巨资支持中微子实验？

决定美国高能物理命运的会议

2013年7月29日，正是一年最热的时候，700多位高能物理学家不惧酷暑，前往明尼苏达大学双子城分校，参加一场决定美国物理命运的盛会——斯诺马斯（Snowmass）会议。

斯诺马斯小镇座落于科罗拉多州落基山脉，是全球顶级滑雪胜地，一年四季风景美不胜收。从1982年开始，每隔几年，美国粒子物理学会都在此华山论剑，召开夏季研讨会。

斯诺马斯小镇

上一次斯诺马斯会议召开还是在2005年，之后8年美国粒子物理学会寂寂无声。

2013年会址改在大学校园，原因很简单，随着政府拨款逐年递减，美国粒子物理界囊中羞涩，在学校开会可以节省大笔食宿开支。有些来自费米和阿贡国家实验室的参会人员为了省钱，甚至采用了拼车的出行方式。

之所以还叫斯诺马斯会议，在于研讨会性质、任务以及会议组织者、参会者都与往年无异，这其中恐怕还包括了对美好岁月的怀念。

就算缺钱，也要发扬艰苦奋斗精神，在2013年劳师动众开一场大会，是因为2012年物理学界发生了两件大事，美国粒子物理界面临下一步怎么走，“红旗”还能扛多久的问题。

2013年斯诺马斯会议讨论美国物理学下一步怎么走

一件大事，就是广为人知的欧洲LHC发现了希格斯粒子，另一件大事知道的人就不多了。

2012年3月8日，中国主导的大亚湾国际中微子实验组宣布，测到了最难测，也是最后一个中微子振荡混合角参数 θ13，且远高于理论预期，这意味三种中微子都会彼此振荡变身。

中国知名物理学家李淼在第二天3月9日发文，敏锐地指出这也许是在中国本土首次测量到的基本物理学参数。“我们一点也不过分地说，这是中国对基础物理学最大的贡献。”

主持这个实验的，正是我们的老朋友，中科院高能物理研究所所长王贻芳。

据美国能源部资助的科学杂志《对称》在2012年8月10日报道，大亚湾中微子实验推动了LBNE至关重要的二阶段审批。如果测得θ13值很小，那么LBNE将无法完成它的主要实验目的——全面观测三种中微子的振荡模式。

LBNE还要感谢另一位华人，时任美国能源部部长朱棣文，他不仅是首个诺奖部长，也是首位亚裔人士部长。朱棣文研究方向在凝聚态领域，他用激光冷却俘获原子获得1996年诺贝尔物理学奖。

这里醋醋忍不住要插一句，2012年3月《三联生活周刊》针对此事发布重磅报道《“捕获”中微子》，梳理了发现中微子的前世今生，却只字不提王淦昌，这是很可悲的。

2012年的两件物理学大事，促成美国物理学家在2013年召开斯诺马斯会议，划清分歧，统一思想，确定美国粒子物理学的未来方向。

欧洲人出大王压死，中国人甩出三张同花顺，美国人怎么跟？

“上帝粒子“与”幽灵粒子“的对决

这是一场“上帝粒子”与“幽灵粒子”的对决。

经过9天的激烈讨论，与会人士一致认为，对希格斯粒子、中微子以及暗物质都需做更精确的测量。它们是漂浮在新物理大海的一个个岛屿，看似遥不可及，但可能彼此存在很深的联系，甚至是一个大陆露出水面的不同山峰。

但会议同时也指出，在有限的经费前提下，美国人不可能三个方向同时发力。

到底是秉承SSC（超导超级对撞机）的遗志，优先发展环形周长100公里的VLHC（超大强子对撞机），还是长基线中微子实验LBNE，成为争论的焦点。

普林斯顿理论物理学家尼玛·阿卡尼-罕默德（Nima Arkani-Hamed）是VLHC计划的支持者之一。加州大学圣塔巴巴拉分校理论物理学家戴维·格罗斯（David Gross）则猛烈抨击LBNE，他认为中微子物理学研究领域过于狭窄，不足以支持美国国家计划。“即使我们测量了所有的参数，该计划终会走向尽头“。

这两位仁兄的名字是不是有些眼熟，没错，他们就是醋醋上篇文章《杨振宁的最后一战》提到的两位超弦教中坚，尼玛是后起新秀，格罗斯是教主导师。

**争论的结果是LBNE胜出，VLHC搁置。**这不奇怪，自1993年美国国会下马SSC后，对撞机在美国就不待见，2011年美国关闭费米实验室Tevatron对撞机，美国本土再无大型对撞机运行，VLHC想复活SSC，不亚于复活木乃伊的难度。

作为美国物理界的少数派，尼玛与格罗斯碰壁之后转向中国，在2014-2016年联合一帮超弦教难兄难弟鼓吹CEPC-SppC，相当于把VLHC拆成两半凑一块。

2016年，清华大学高能物理研究中心和工程物理系教授何红建、清华大学数学科学中心主任丘成桐两人，采访了一圈世界顶级物理学家，包括霍金、格拉肖、温伯格等人，以获得他们支持在中国建超大对撞机的言论。

这些物理学家都是场外摇旗呐喊，属于啦啦队的性质。而超弦教一行，却是几次专程赶到中国四处游说，尼玛还于2013年底担任中科院高能所前沿研究中心主任，联络各种活动，那是下场打球的姚明。

霍金、格拉肖、温伯格等人的学术成就已有定论，超大对撞机对他们而言是锦上添花，如果撞出新东西，皆大欢喜，撞不出来也没啥损失。需要成百上千亿资金？反正又不是我掏钱，who cares？（谁在乎？）

但是威腾、格罗斯与尼玛等超弦教兄弟，研究半生的理论还悬在空中，对撞机对他们而言是雪中送炭，能不急吗？

对撞机与超弦教的裙带关系

醋醋有必要科普一下，好叫大家弄清楚超弦教与对撞机的裙带关系。

在标准模型中，基本粒子的质量由希格斯粒子赋予，后者应是一个大质量粒子，但是LHC测出其质量远远小于理论值。

这就好比你在健身房远远看到有人在举200公斤重的杠铃，你以为是施瓦辛格，走近一看却是林志玲，你会不会傻眼。

有两个解释，一是在标准模型中，非常精细地调节参数，让两个巨大的数字几乎（但又不完全）相互抵消，使得希格斯粒子拥有较小的质量。

但这种参数调节很不自然，就好比林志玲说她练了九阴真经，内力深厚，所以能举杠铃，你信吗？

另一种解释就是大名鼎鼎的超对称理论，每个基本粒子都有个超对称伙伴粒子，林志玲的超对称伙伴是施瓦辛格，他扶着林志玲“嘿哧嘿哧”举杠铃，这就很自然了。

用物理学行话讲，就是超对称粒子保护了希格斯粒子的质量，避免其质量平方发散，令其回归自然性。

什么，你看不见施瓦辛格？那是当然啦，超对称粒子还没撞出来呢。

超对称不光能保证希格斯粒子的自然性，还是暗物质的有力候选者。更重要的是，它迈向大统一理论，提供了在高能标处统一三种相互作用力（电磁，弱，强相互作用）耦合强度的可能性。证明超对称，那物理学真是中大奖了。

事实上，基于超对称理论，希格斯粒子质量（m）要很小。据爱因斯坦质能方程E=mc^2换算，小于120GeV/c^2，将是对超对称的有力支持。相反，如果大于130GeV/c^2，则可以给超对称判死刑。

老天爷搞了个恶作剧，LHC发现的希格斯粒子，**恰恰在125GeV/c^2附近，超对称刚好半死不活。**由于LHC是强子对撞，本底干扰太多，加上希格斯粒子质量不确定性，该数值不够精准。

CEPC精细测量希格斯粒子的一大目的，就是检验超对称理论的真伪，而超对称又构成了超弦的“超”。如果检验发现超对称理论还没死透，那么就再花千亿升级成SppC，直接撞出来超对称粒子也就有理由了，所以这个项目从来都是CEPC-SppC的连接体。

至此，对撞机与超弦教的七大姑八大姨关系浮出水面。

**CEPC对于超弦教的意义就是：**活要活个通透，死要死个明白。

醋醋看到不少所谓的物理学专业人士批判《杨振宁的最后一战》一文，把板子打在“CEPC与超对称超弦无关”上，这不是揣着明白装糊涂，就是把物理学知识还给老师了。

从人性的角度考量其实很简单，超弦教多次组团来中国鼓吹超大对撞机项目，如果与这个项目没有一毛钱关系，难道他们都是像白求恩一样好的国际友人？

然而，杨振宁等科学家给了超弦教当头一击，CEPC-SppC项目在中国陷入人民战争的汪洋大海。

P5报告一锤定音

一边是超弦教四处碰壁，另一边美国粒子物理界北上还是南下，总得划出个道道，不能原地踏步走。

斯诺马斯会议大体吵出了方向，要形成历史决议一锤定音，还需制定一份P5报告。

P5的英文全称Particle Physics Project Prioritization Panels，即“粒子物理学项目优先级小组”，由美国能源部和美国国家科学基金会在2004年联合组建。

P5小组有25个成员，来自物理界各个领域大牛，他们受命制定未来十年美国粒子物理的详细路线图，向联邦高能物理咨询24人小组汇报。

2008年5月，P5小组发布了第一份报告，给出三个发展方向，暗合2013年斯诺马斯会议的讨论结果。

**1、能量前沿：**优先发展高能粒子对撞机，撞出希格斯粒子以及其他理论上预言的新粒子，如超对称粒子，实现基本力的大统一理论。

**2、强度前沿：**优先发展高强度质子束产生足够强度的中微子，揭示中微子性质并观察振荡过程，获得超越标准模型之外的新物理学。

**3、宇宙前沿：**优先使用基于地下的探测器和太空的望远镜，揭示暗物质和暗能量的本质，并接收宇宙射线高能粒子探测新物理现象。

能量前沿对应希格斯粒子，强度前沿对应中微子，宇宙前沿对应暗物质暗能量兼顾中微子，宇宙射线含有大量的高能中微子。

三个方向，中微子独中两元。

2008年的P5报告给中微子留了一手，让政府拨款保护霍姆斯特克矿坑，将地下水抽出，为后来的LBNF/DUNE中微子实验奠定了基础。

至于能量前沿的对撞机项目，P5报告只是说这个如何如何重要，却没有啥实质性的项目建议。

这是可以理解的，上一届2005年斯诺马斯会议达成共识，优先建造国际直线对撞机（ILC）。就在P5报告发布的前一年2007年，美国人变卦了，把项目推给日本。碍于美国的面子，后者只得笑纳，但日本人也不傻啊，要建可以，谁出另一半钱我就建，由于大家都不傻，ILC也就拖成了贾跃亭下周回国。

可见美国人真是不来电对撞机，不管它是弯的还是直的。

本来按计划，第二份P5报告要在下一个十年2018年发布，因为美国粒子物理界走到了十字路口，就提前至2014年5月发布。

这份P5报告，基于斯诺马斯会议的讨论结果，在2013年11、12月召开三场专题会议，针对三个前沿方向展开讨论，于2014年3月1日发布有关建议实验重点的初步报告，最终报告于2014年5月1日发布，5月22日联邦高能物理咨询24人小组投票通过了该报告。

报告名为《全球背景下的美国粒子物理战略计划》，就一个中心意思——LBNE中微子实验是美国粒子物理学的头等大事，这是自寻找希格斯粒子以来最重要的物理实验。

有趣的是，国际物理界看到美国来真的了，纷纷表示要加入一起干，英国、印度、意大利都抛出了橄榄枝，前提是要玩就玩大的，近地表中微子探测器不够劲，要建在深层地下，越深越好，可以有效屏蔽宇宙射线干扰，方便检测来自宇宙的中微子与地球本身产生的中微子。

美国人很鸡贼，本来承诺由能源部资助10亿美元，剩下5亿美元众筹，一看大家很热情，**反而全出了15亿美元，**当然也加强了对实验的掌控权。大亚湾中微子实验有美国深度参与，LBNE中微子实验截至目前，还没看到有中国加入。

2015年1月30日，LBNE组织正式解散，**由P5推荐的新合作组织将实验名字改成了LBNF/DUNE，**意思就是长基线中微子设施-深地下中微子实验，兼具了强度前沿与宇宙前沿。

看到这里，可能你会疑惑，中微子不都发现半个多世纪了吗，为啥世界各国还在不厌其烦反复折腾它？

超级赛亚人变身！

让我们再次回到曾经挖出黄金的霍姆斯特克矿山，这里是中微子“神奇之旅”的起点，也有可能是它的……终点。

太阳是一个天然的核聚变反应堆，释放出大量中微子。1968年，雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis）在1500米深矿井中埋了一个615吨氯乙烯溶液的大容器，以捕获来自太阳的中微子。

这个戴维斯，就是上面提到那一位，他将王淦昌的间接检测中微子实验做到了最好，这哥们几十年如一日，跟中微子卯上了，中微子决定give him color see see（给他点颜色瞧瞧）。

让他困惑的是，每次捕到的中微子都只是标准太阳模型理论值的1/3，戴维斯百思不得其解，整日茶饭不思，为中微子消得人憔悴。

这个中微子失踪之谜持续了30年，直到1998年日本超级神冈探测器首次发现了中微子振荡的确切证据，才给出了一个合理的解释：

有2/3的中微子在飞行过程中振荡变身，躲过了戴维斯的探测。

就如超级赛亚人有三阶一样，中微子也有三代：第一代电子中微子、第二代μ子中微子、第三代τ子中微子。

事实上，标准模型中，电子、夸克等所有物质基本粒子都有三代，如μ子是第二代电子，τ子是第三代电子，一代比一代重。为什么只有三代，这是一个谜。

超级赛亚人可以在三阶中任意切换，中微子也能在三代中振荡变身：基于物质效应，大约2/3的电子中微子在太阳内部飞行的过程中振荡变身，转换成了μ子中微子和τ子中微子，戴维斯的探测器只能观测电子中微子，于是产生了失踪之谜。

1984年，由加州大学华人物理学家陈华森提出实验构想，通过重水可以将三代中微子一网打尽。

由于1987年陈华森不幸因白血病去世，加拿大女王大学教授亚瑟·麦克唐纳（Arthur B. McDonald）践行其遗愿，在2001和2002年率领SNO合作组火速出动，将所有中微子全部捉拿归案，证明捕获到的中微子与理论值保持一致，太阳中微子失踪案终于告破。

科学家如此关注中微子振荡，在于这背后有一个天大的秘密，**振荡即意味着中微子有质量，**哪怕极小，也与标准模型预言的0质量有天壤之别。

标准模型英文简写SM，顾名思义，这个模型特别虐人，物理学家明知SM有大问题，没有包括引力，不能解释暗物质暗能量，但就是深陷其中不能自拔，不管怎么做实验，SM预言的各种物理现象都与理论吻合得很好。

**《杨振宁的最后一战》**中，标准模型相当于物理学家玩密室逃脱，预言的61个粒子都找到了，就是没找到钥匙。直到中微子振荡表明中微子有质量，才将密室的大门打开一道裂纹。

据标准模型，基本粒子的质量来源是希格斯粒子，中微子不与希格斯场相互作用，所以是0质量，如今发现中微子有质量，则说明还有一个神秘的质量来源。

中微子振荡，是当前唯一超越标准模型的新物理发现。

但这还不是中微子最大的秘密。

（未完待续）