加速器中微子實(shí)驗(yàn)先驅(qū)杰克·斯坦伯格去世，王貽芳撰文紀(jì)念
Jack Steinberger (1921.5.25 -- 2020.12.12)
照片來源CERN
杰克·斯坦伯格是我們年輕時(shí)極為仰慕的大家。80 年代時(shí)，歐洲核子中心的大型輕子對(duì)撞機(jī)（LEP）上有四個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中有兩位發(fā)言人是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者：丁肇中和杰克·斯坦伯格。那是一個(gè)讓人極為懷念的時(shí)代，一個(gè)對(duì)未來充滿憧憬的時(shí)代。經(jīng)常能見到這些大家，親耳聆聽他們的學(xué)術(shù)報(bào)告和他們對(duì)科學(xué)的見解，親眼看到他們的研究和工作方式，甚至有機(jī)會(huì)一起喝咖啡、吃飯、聊天，對(duì)我們的成長(zhǎng)有不可估量的意義。
我沒有機(jī)會(huì)在斯坦伯格的指導(dǎo)下工作，但有許多朋友在他的 ALEPH 實(shí)驗(yàn)組工作，聽到過許多他的故事。當(dāng)然，我更知道他 60 年代發(fā)明了加速器產(chǎn)生中微子的辦法。這個(gè)革命性的思想取得了完全的成功，不僅讓我們知道存在一種新的中微子 —— 繆中微子，也讓我們能利用中微子研究核子結(jié)構(gòu)。最近 30 年，中微子振蕩研究取得了重大進(jìn)展，加速器中微子在其中起到了重要作用。事實(shí)上，今天測(cè)量中微子振蕩 CP 相角的最好方法就是利用加速器中微子，美國(guó)的 LBNF-DUNE 實(shí)驗(yàn)和日本的 JPARC-HyperK 實(shí)驗(yàn)如果能取得完全成功，將測(cè)得 CP 相角，也許會(huì)基本結(jié)束中微子振蕩這個(gè)研究領(lǐng)域。但這不是加速器中微子應(yīng)用的終點(diǎn)，也許是另一個(gè)起點(diǎn)：對(duì)地球進(jìn)行 CT 掃描。
我相信，斯坦伯格的在天之靈會(huì)非常高興地看到他開創(chuàng)的研究在繼續(xù)發(fā)展。
—— 王貽芳 2020 年 12 月 24 日
（中科院高能物理研究所所長(zhǎng)，中科院院士）
以下內(nèi)容譯自《華盛頓郵報(bào)》（The Washington Post）2020 年 12 月 17 日刊登的訃告，原文標(biāo)題：Jack Steinberger, Nobel laureate in physics, dies at 99，作者：Martin Weil，譯者：陳繕真。中譯文刊登于《數(shù)理人文》（訂閱號(hào)：math_hmat）與《粲美集》（訂閱號(hào)：Charm_and_Beauty），轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
杰克·斯坦伯格（Jack Steinberger，或譯作“施泰因?格爾”），一位生于德國(guó)，因逃離納粹統(tǒng)治而移居美國(guó)的男孩，一位因?qū)τ钪嬷凶铍y懂且神秘的物質(zhì)基本成分 —— 中微子的研究而獲得諾?爾獎(jiǎng)的物理學(xué)家，于 2020 年 12 月 12 日在日內(nèi)瓦逝世，享年 99 歲。
他的家人確認(rèn)了他的離世，但是沒有披露他的死因。
作為一個(gè)諾獎(jiǎng)成就來自于他在紐約的哥倫比亞大學(xué)以及紐約?島的布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的工作的美國(guó)公?，斯坦伯格博士選擇將生命中的后半部分時(shí)間花在了位于瑞士的歐洲核子研究中心。
在他漫?且富有成果的一生之中，斯坦伯格博士經(jīng)歷了，甚至代表了一些他的時(shí)代的主流歷史。納粹的崛起迫使他在第二次世界大戰(zhàn)之前來到了美國(guó)。但是，作為戰(zhàn)后他與故鄉(xiāng)德國(guó)和解的努力的一部分，他?證了他曾經(jīng)就讀過的學(xué)校被以他的名字重新命名。
在他被命運(yùn)慷慨地從歐洲救至美國(guó)之后，他被一戶美國(guó)寄養(yǎng)家庭收留。多年以后，他也表現(xiàn)出來他自己的慷慨：他把他的諾?爾獎(jiǎng)?wù)戮杞o了他曾以難?身份就讀過的一所芝加哥郊外的公立高中。他的職業(yè)生涯的起點(diǎn)很低，他在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)效力于美國(guó)陸軍，在此之后逐漸攀登到了物理學(xué)的最高峰，也為人類理解能描繪物質(zhì)和宇宙萬物的粒子與相互作用力做出了重要的貢獻(xiàn)。
他與其他兩位物理學(xué)家，利昂·萊德曼（Leon Lederman）與梅爾文·施瓦茨（Melvin Schwartz）因他們產(chǎn)生高能量中微子束流的技術(shù)，以及證明了兩類中微子的存在而共享了 1988 年的諾?爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們?cè)?1962 年完成的這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是粒子物理學(xué)的一座里程碑。
他們的實(shí)驗(yàn)是對(duì)宇宙中人類不完全了解的領(lǐng)域的一次進(jìn)軍，而這一領(lǐng)域涉及自然界中的四種基本相互作用力之一 —— 弱相互作用力。他們被認(rèn)為制作了第一個(gè)研究涉及弱相互作用力的過程的高能物理實(shí)驗(yàn)。
自然界中的兩種基本相互作用力 —— 引力與電磁力，都早已被人熟知。但是，在我們的日常觀察與生活中并不常?的另外兩類相互作用力 —— 強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力，則在原子核內(nèi)和基本粒子之間起到了至關(guān)重要的作用。
這項(xiàng)獲得諾?爾獎(jiǎng)的工作是利用一束中微子流來研究弱相互作用力在高能量下的表現(xiàn)，中微子不參與強(qiáng)相互作用，只參與弱相互作用。斯坦伯格博士和他的同事們將粒子加速器里的高能量粒子撞擊靶標(biāo)，并通過幾個(gè)復(fù)雜步驟得到了高能量的中微子束流。
質(zhì)子在同步加速器中轟擊鈹原子組成的靶標(biāo)，這種撞擊會(huì)產(chǎn)生一種叫做 π 介子的粒子。而這種粒子的衰變產(chǎn)物會(huì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的中微子。隨后斯坦伯格博士他們的主要任務(wù)便是將中微子從與對(duì)撞伴隨產(chǎn)生的粒子殘骸中分離出來。
中微子那種可以穿透任何物質(zhì)且不會(huì)被停下的特性為上文的問題提供了一個(gè)解決辦法。為了解決這一問題，報(bào)廢戰(zhàn)艦的裝甲板被征用了起來，組成了一個(gè)超過 40 英尺（約 12 米）厚的屏障墻。這道屏障可以阻擋除中微子之外的任何其他粒子。
接著，就是在束流方向上的一個(gè)重達(dá)幾噸的中微子探測(cè)器，這個(gè)探測(cè)器如此的厚重，以至于即便是如同?魅般幾乎從不與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的中微子，在有足夠數(shù)量的中微子穿過探測(cè)器的情況下，也能多多少少能有幾個(gè)中微子會(huì)在探測(cè)器中留下些轟擊的痕跡。最終，在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行了幾個(gè)月之后，在轟擊靶標(biāo)產(chǎn)生了海量（大約有 100 萬億個(gè)）的中微子之后，科學(xué)家們終于觀測(cè)到了不到 60 個(gè)他們希望觀測(cè)到的事件。
但在這些事件中，并沒有產(chǎn)生或許被預(yù)期產(chǎn)生的電子，而是產(chǎn)生了一種比電子重兩百多倍的粒子 —— μ 子。這些事件足以證明中微子有兩種，一種與電子關(guān)聯(lián)在了一起，而另一種則與 μ 子關(guān)聯(lián)在了一起。
這項(xiàng)工作因?yàn)樽C明了中微子有兩種形態(tài)而在物理學(xué)界廣為人知。這個(gè)實(shí)驗(yàn)被人稱為“兩個(gè)中微子的實(shí)驗(yàn)”，萊德曼開玩笑說，“兩個(gè)中微子”聽起來就像是一個(gè)意大利舞蹈組合的名字。
但是，中微子與其它粒子的關(guān)聯(lián)配對(duì)對(duì)于物理理論的創(chuàng)建者們來說卻是一個(gè)嚴(yán)肅的事情。
給電子和 μ 子提供一個(gè)它們相應(yīng)的中微子，這種配對(duì)操作可以展示如何組織和解釋當(dāng)時(shí)正在不斷變大的基本粒子表。當(dāng)時(shí)，這些從越來越高能量的實(shí)驗(yàn)中不斷出現(xiàn)的新粒子似乎數(shù)量多的令人迷惑。
一種系統(tǒng)化的、整理粒子與粒子間的相互作用的方法似乎是描述宇宙的基本結(jié)構(gòu)和行為的一種出路，物理學(xué)家把這種整理粒子與作用力的方法叫做標(biāo)準(zhǔn)模型。斯坦伯格博士的工作為建立標(biāo)準(zhǔn)模型的事業(yè)提供了寶貴的?解。
漢斯·雅各布·斯坦伯格（Hans Jakob Steinberger，斯坦伯格博士的本名）生于 1921 年 5 月 25 日，他出生在德國(guó)巴伐利亞州的巴德基辛根（Bad Kissingen）鎮(zhèn)。亨利·基辛格（美國(guó)外交家）的一位祖輩曾用這個(gè)小鎮(zhèn)的名字為自己取名。但是，由于這位美國(guó)前國(guó)務(wù)卿生于德國(guó)的其他地方，一家德國(guó)報(bào)紙?jiān)鴶嘌缘浪固共癫┦坎攀莵碜园偷禄粮?zhèn)的最有名望的人。
斯坦伯格博士的父親，一位曾在第一次世界大戰(zhàn)中服役的德軍老兵，是一位牧師和巴德基辛根的一個(gè)猶太小團(tuán)體的教師。由于納粹的崛起，很顯然當(dāng)時(shí)斯坦伯格一家在德國(guó)的生活不會(huì)有什么未來。
這時(shí)，有一個(gè)美國(guó)的組織表示，他們志愿把 300 名猶太兒童帶去美國(guó)生活。所以在 1934 年，斯坦伯格博士和他的哥哥被帶上了一艘船，遠(yuǎn)赴美國(guó)。
四年之后，斯坦伯格一家其他的成員也加入了他們來到了美國(guó)，他們被安排開設(shè)了一家熟?店。
斯坦伯格博士中學(xué)畢業(yè)于伊利諾伊州溫內(nèi)卡市的新特里爾（New Trier）高中，并于 1942 年在芝加哥大學(xué)獲得化學(xué)學(xué)士學(xué)位。在二戰(zhàn)期間，陸軍將他送到麻省理工學(xué)院正在研制雷達(dá)的輻射實(shí)驗(yàn)室。之后，他于 1948 年從芝加哥大學(xué)獲得了博士學(xué)位。
他說，他曾在加州大學(xué)伯克利分校僅呆了一年就離開了，起因是盡管他不是一個(gè)共產(chǎn)主義者，但他堅(jiān)定的拒絕了去簽署一份效忠宣誓來證明這一點(diǎn)。取而代之的是，他從 1950 年到 1971 年成為哥倫比亞大學(xué)的教職員工，并在此期間晉升為教授。從 1968 至 1986 年，包括他在哥倫比亞大學(xué)供職的最后幾年，他來到日內(nèi)瓦擔(dān)任歐洲核子研究中心（也就是 CERN）的物理學(xué)家。
1988 年，他成為了一個(gè)由大約 350 名物理學(xué)家組成的合作組織的發(fā)言人，他們當(dāng)時(shí)正在為建造一個(gè)名為“ALEPH”的、將在 CERN 正在建設(shè)中的電子-正電子對(duì)撞機(jī)上運(yùn)行的探測(cè)器作準(zhǔn)備。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果關(guān)鍵且精準(zhǔn)，后來為標(biāo)準(zhǔn)模型的驗(yàn)證提供了重要的證據(jù)。
作為一個(gè)管理人員，斯坦伯格博士不僅經(jīng)常通過管理和指導(dǎo)來為探測(cè)器的建設(shè)作出貢獻(xiàn)，他還會(huì)親自參與設(shè)計(jì)以及對(duì)物理的分析。
但他曾說過，這種事必躬親的狀態(tài)到 1995 年就結(jié)束了，因?yàn)楹髞淼墓ぷ髟絹碓骄哂屑夹g(shù)挑戰(zhàn)性，尤其是那些因使用計(jì)算機(jī)而帶來的革新。他補(bǔ)充說道，“我已不能與年輕一代競(jìng)爭(zhēng)了。”這之后，他把學(xué)術(shù)研究的注意力轉(zhuǎn)向了宇宙和天體中的物理學(xué)。
除了諾?爾獎(jiǎng)外，他獲得過的榮譽(yù)還包括美國(guó)國(guó)家科學(xué)獎(jiǎng)?wù)隆?br style="max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important;"/>
他與瓊·博雷加德（Joan Beauregard）的第一段婚姻最終以離婚告終?，F(xiàn)在他的家庭里還有他的現(xiàn)任妻子辛?婭·阿爾夫（Cynthia Alff），以及他與前妻所養(yǎng)育的兩個(gè)兒子，以及與第二任妻子所養(yǎng)育的兩個(gè)孩子。
斯坦伯格博士于 1997 年參觀了他在伊利諾伊州時(shí)讀過的高中，與學(xué)生、老師在科學(xué)系一起度過了一些時(shí)光。據(jù)學(xué)校里的人說，在那次參觀的三年以后，一個(gè)貼著外國(guó)郵票的包裹被放到了學(xué)校的?落里。
而這包裹里面，用紙包著的，是斯坦伯格博士的諾?爾獎(jiǎng)獎(jiǎng)?wù)?。他?dāng)時(shí)寫道：“我在新特里爾高中收獲的良好的人生開端是我一生中幾個(gè)最榮幸的時(shí)刻之一，很高興我的獎(jiǎng)?wù)履芰粼诳煽康娜耸种?。?br style="max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important;"/>
諾?爾獎(jiǎng)獎(jiǎng)?wù)碌脑靸r(jià)估計(jì)在一萬美元左右。而根據(jù)新聞報(bào)道，最近一個(gè)被賣出的獎(jiǎng)?wù)鲁山粌r(jià)已超過了 70 萬美元（大約 500 萬人?幣）。
注：本文中文來自《數(shù)理人文》和《粲美集》，排版格式參照“中科院高能所”。
