持续探索宇宙和人类认知前沿

宇宙是持续如何开始的？那些最微小、最重要的探索物质粒子隐藏着什么秘密？它们如何帮助人们理解空间和时间的复杂性？中微子究竟是否是物质的组成部分之一？暗物质和暗能量的本质又是什么？探寻这些问题的答案正是美国费米国家加速器实验室的工作方向。

上海交通大学物理与天文学院教授李亮曾在费米实验室工作7年之久。宇宙沿他在接受科技日报记者采访时表示，和人作为美国首屈一指的知前粒子物理学和加速器实验室，自1967年以来，持续费米实验室利用世界上最先进的探索粒子加速器之一——兆电子伏特对撞机（Tevatron），不断推动技术创新并拓展科学探索的宇宙沿边界，最终愿景是和人揭示物质、能量、知前空间和时间的持续奥秘。

秉持三大科研使命

李亮说：“一个顶尖的探索实验室，首先要有自己真正的宇宙沿‘灵魂’和使命，这赋予实验室不懈追求的和人目标，也是知前团队高度凝聚力所在。”

费米实验室秉持三大使命：用粒子加速器推动世界中微子科学研究；领导美国粒子对撞机的开发及应用；通过对宇宙开展测量发展粒子物理学。

费米实验室主持或参与了数百个实验，包括多项粒子天体物理学前沿实验，如1998年开始观测的斯隆数字巡天，以及2012年拍摄第一张照片的“暗能量巡天项目”。

“费米实验室还为大型强子对撞机（LHC）的设计和建造作出了贡献，参与LHC上紧凑型缪子螺线管实验的科学家也为2012年希格斯玻色子的发现立下了赫赫战功。”清华大学物理系副教授胡震介绍了实验室取得的一些成绩。2008年，胡震曾以访问学者身份在费米实验室学习一年。2014年到2018年，他又重回故地开启博士后研究。

胡震说：“Tevatron建造和运行的几十年，带动费米实验室成为全球高能物理界重要研究中心之一。尽管其已于10多年前‘寿终正寝’，但它留下的经验、技术、团队组织方式、科研合作氛围等，成为了一笔无形的资产，至今仍引领着科学家前进的脚步。”

获得多项重大发现

在揭示宇宙和物质奥秘的道路上，费米实验室取得了很多研究成果：发现底夸克、顶夸克，为构建粒子物理学标准模型奠定坚实基础；观测到反氢原子；在中性K介子中观测到直接的CP破缺；直接观测到陶子中微子首个证据，开启物理研究新时代；发现新的奇特强子Y（4140）等。

“2023年8月10日，由费米实验室主导的缪子反常磁矩合作组发布了迄今最精确缪子反常磁矩测量结果，精度比此前的研究结果提高了2倍，为揭示缪子反常现象背后的新物理线索奠定了基础。”作为这项突破参与者之一的李亮记忆深刻。

去年4月，《科学》杂志以封面文章的形式发表了费米实验室的研究成果：科学家利用“栖身于”Tevatron的探测器数据，实现了迄今对W玻色子粒子最精确的测量。

“从Tevatron加速器实验到中微子振荡实验，再到缪子反常磁矩实验，乃至未来的深地中微子实验，费米实验室总是在不断开拓新的研究方向和领域，并且作出令人瞩目的新发现。”李亮总结道。

让高冷的科学更亲民

费米实验室的上述成就令人感觉特别“高冷”，但费米实验室一直在努力让科学走进生活，造福社会。

例如，Tevatron的设计推动了超导电线和电缆的商业化生产，使核磁共振成像设备成为可能。费米实验室创始主任罗伯特·威尔逊1946年首次提出使用质子进行医疗的想法。当实验室建造出首台医疗用质子加速器时，威尔逊的梦想实现了。

费米实验室一直积极参与科学教育。李亮介绍说，费米实验室每几周都会组织公众参观活动，由义务讲解员带领公众参观实验室各个科学设施。实验室从1980年开始为高中生举办“周六晨间物理”等活动，并为科学教师举办研讨会。

以诺贝尔奖得主利昂·莱德曼命名的莱德曼科学教育中心于1992年开业。中心专门为教育和公众参与而设立，李亮说：“通过这个中心，费米实验室与周边群众建立起紧密联系，增进了大众对粒子物理和科学研究的理解，激发了年轻一代对科学的兴趣，该中心也一直是公众最喜爱的游览点之一。”