諾貝爾物理獎1984年：卡洛·魯比亞、西蒙·范德梅爾

1984 年的諾貝爾物理獎頒給兩位高能實驗物理學家，一位是義大利物理學家卡洛· 魯比亞（Carlo Rubbia，1934-）；另一位是荷蘭物理學家西蒙· 范德梅爾（Simon van der Meer，1925-2011）。他們因發現W 及Z 玻色子而獲獎。值得一提的是范德梅爾和歐內斯特· 勞倫斯兩位是至今獲得諾貝爾獎的加速器物理學家。

有趣的是，在五年前，三位理論物理學家，史蒂芬· 溫伯格、謝爾登· 格拉蕭與穆罕默德· 阿卜杜勒· 沙朗姆就因「關於基本粒子間弱交互作用和電磁交互作用的統一理論，包括對弱中性流的預言在內的貢獻」而得獎。所謂的中性流指的是輕子（如電子）或夸克放出一個電中性的Z 粒子，而這個Z 粒子被一個輕子（如電子）或夸克吸收的過程。尋常的弱作用是透過交換帶電的W 粒子，但是透過交換Z 粒子的弱作用反應前後，粒子的電荷不會改變。此外，與尋常電磁作用不同的是不帶電的微中子也會放出或吸收Z 粒子，且交換Z 粒子的過程中，宇稱並不守恆。電弱理論對應的數學結構SU（2）×U（1）預測，有四種傳遞電弱作用的向量波色子，分別是質量為零且不帶電的光子，有質量但不帶電的Z 粒子，還有帶正電的W+ 粒子與帶負電的W− 粒子。所以要驗證電弱理論的結構是否如溫伯格等人所想的那樣，量出精確的W 和Z 粒子的質量最為要緊，但是當時還沒有W 和Z 粒子存在的直接證據，只有間接的證據，像是在1973 年歐洲核子研究中心（CERN）的加爾加梅勒（Gargamelle）氣泡室拍攝到有一些電子突然自行移動的軌跡。這些觀測結果被詮釋為微中子藉由交換沒有軌跡的Z 玻色子與電子互相作用，由於微中子是偵測不到的，因此實驗中只能看到電子單方面的動量改變，這當然還不夠，W 和Z 粒子要到能量夠高的粒子加速器建立後才正式被發現。直接證明W 和Z 粒子的存在正是歐洲核子研究組織（CERN）的主要成就之一。

第一部能達成這個目標的加速器是超級質子同步加速器，卡洛· 魯比亞和西蒙· 范德梅爾在1983 年一月進行的一連串實驗，給出了明顯的W 粒子證據。這些實驗稱作「UA1」（由魯比亞主導）和「UA2」（由Pierre Darriulat 主導）。范德梅爾發明的隨機冷卻則是實驗成功的關鍵。UA1 和UA2 在幾個月後（1983 年5 月）找到Z 粒子，很快地魯比亞和范德梅爾就得到1984 年的諾貝爾物理學獎，對向來保守的諾貝爾獎基金會而言，這次頒獎算是相當不尋常地快速！

魯比亞1934 年出生於一個與斯洛維尼亞接壤的義大利小鎮，由於戰爭帶來的混亂，他的家人搬到了烏迪內。他參加比薩高等師範學院物理專業入學考試，未能進入前十名（排名第十一），因此於1953 年開始在米蘭學習工程學課程。不久之後，一名比薩高等師範學院學生退學了，於是魯比亞趁機遞補。1958 年他從比薩大學獲得義大利博士學位
（Laurea），論文主題是宇宙射線實驗。

獲得學位後，魯比亞前往美國進行博士後研究，他在哥倫比亞大學待了大約一年半的時間，進行μ 介子的衰變和原子核捕獲μ 介子的實驗。回到歐洲後，他於1960 年加入新成立的歐洲核子研究組織（CERN）。歐洲核子研究中心剛剛委託使用一種新型加速器，即交叉存儲環（ISR Intersecting Storage Rings），讓旋轉中的質子束迎面相撞，魯比亞和他的合作者在那裡開始進行弱作用相關的實驗。1970 年，魯比亞被任命為哈佛大學希金斯物理學教授，他每年花一個學期的時間，同時繼續在歐洲核子研究組織（CERN）研究活動，這樣的狀態持續了十八年。

1976 年，魯比亞與大衛· 克萊恩（David Cline）和彼得· 麥金泰爾
（Peter McIntyre）一起提出了一種全新的粒子加速器設計，建議採用CERN 的超級質子同步加速器（SPS），在同一個環中對質子和反質子進行碰撞。質子中的u（d）夸克與反質子的反d（u）夸克相撞就有機會變成W 粒子；另一方面，質子中的u（d）夸克與反質子的反u（d）夸克相撞就有機會變成Z 粒子。但是W 粒子與Z 粒子很快就會衰變，W 粒子會衰變成電子（正子）和反電子微中子（電子微中子），而Z 粒子會衰變成正負電子對，問題在於質子與反質子碰撞能量要夠高才能看到清楚的W 或Z 粒子的訊號，SPS 被容納在一個環形隧道中，有6.9 公里（4.3英里）的周長，在瑞士日內瓦附近並橫跨法國－瑞士的邊界。該對撞機於1981 年開始運行，1983 年初，以魯比亞為首的由100 多名物理學家組成的UA1Collaboration 國際團隊就檢測到了中間向量玻色子W 粒子，UA1 和UA2 在幾個月後（1983 年五月）找到Z 粒子。

可不可以用質子與質子碰撞來取代質子與反質子呢？答案是行也不行。其實質子有反夸克，大家熟悉的大型強子對撞機（LHC）就是質子－質子對撞機；但是質子的反夸克含量極低，所以在上世紀八〇年代
的能量條件下，幾乎是無法產生量測得到的訊號，這時就需要西蒙· 范
德梅爾發展的隨機冷卻技術，以此建造了反質子累加器。

范德梅爾1925 年出生於荷蘭海牙，在台德維夫特理工大學獲得工程學位。1956 年加入歐洲粒子物理研究所。20 世紀50 年代，范德梅爾為28 GeV 質子同步加速器（PS）設計了磁鐵。1961 年，他發明了一種脈衝聚焦裝置，稱為“ 范德梅爾喇叭”（Van der Meer horn）。此類設備對於長基線微中子設施來講是必備的，至今仍在使用，隨後在20 世紀60 年代，他設計了一個小型存儲環，用於研究μ 子反常磁矩的物理實驗。此後不久以及接下來的十年中，范德梅爾在交叉存儲環（ISR）以
及後來SPS 的電源調節和控制方面做了一些非常創新的工作，像是范
德梅爾所開發，使用轉向磁鐵使兩個碰撞粒子束相對於彼此垂直移動
的技術，被拿來控制有效粒子束高度，從而調整交叉點處的粒子束光
度。即使在今天，著名的“ 范德梅爾掃描”（Van der Meer scans）在大型強子對撞機實驗中仍然不可或缺。如果沒有這些，對撞機交叉點處的強度校準精度將會低很多。但是他最重要的發明還是非「隨機冷卻」莫屬。

隨機冷卻法是一種根據相空間中粒子的位置、動量等資訊來修正各粒子相對於中心值誤差的反饋類型。由於在實際實驗中，不可能獲取每個粒子的資訊，只能通過獲取一定時間內粒子束的部分資訊來逐步進行修正，最終調整位置和運動量來將粒子束冷卻。隨機冷卻法之所以如此命名，是因為單個顆粒以一定的機率被冷卻。

實際的運用上，它是由用於測量加速器和存儲環中動量的動量測量裝置、用於測量位置的位置測量裝置、用於施加實際校正電壓的校正電極以及高頻放大器等信號處理系統組成，測量系統獲得與中心偏差成比例的信號，並將反饋電壓施加到校正電極。

范德梅爾讓反質子等粒子保持在圓形陣列中，並且通過向下游的彎曲磁鐵發送信號來逐漸減小它們的粒子束發散度。由於減少粒子束發散就意味著減少橫向速度或能量分量，當質子的相對橫向動量變小的時候，就相當於這束質子都以約略相同的方向前進，從而迫使其形成聚焦良好的粒子束。

范德梅爾在CERN 的質子相交存儲環中開發並測試了該技術，這個技術被用來積累強烈的反質子束，以便與歐洲核子研究中心超級質子同步加速器中質心能量為540 GeV 或每束270 GeV 的反向旋轉質子束正面碰撞。如果沒有范德梅爾的技術，UA1 永遠不會擁有所需足夠的高強度反質子；反過來說，如果當年魯比亞沒有意識到它這麼有用，隨機冷卻只會是一些論文的主題罷了。在魯比亞與范德梅爾以及CERN 團隊的合作下，CERN 不斷證實了電弱理論的各項預測，成為上個世紀最活躍的科學中心之一。