1984年諾貝爾物理學獎授予瑞士日內瓦歐洲核子研究中心(CERN)的意大利物理學家魯比亞和荷蘭物理學家範德米爾,以表彰他們在導致發現弱相互作用的傳播體W±和Z°的大規模研究方案中所起的決定性貢獻。
這裏所謂的大規模研究方案,就是指的在歐洲核子研究中心的質子-反質子對撞實驗。CERN是研究基本粒子的國際中心,有13個歐洲國家參加,它跨越兩個國家——瑞士和法國的邊界,創建於1952年。來自各個國家的物理學家和工程師通力合作,在這裏貢獻自己的才能。30年過去了,由意大利的魯比亞和荷蘭的範德米爾為首的龐大的實驗隊伍,終於取得了碩果,發現了W±和Z°粒子。人們說:是範德米爾使這項實驗方案成為可能,而魯比亞則使這項實驗方案得到了預期的成果。這是因為要實現在粒子對撞實驗中產生W±和Z°必須具備兩個條件。一個條件是對撞的粒子必須具有足夠高的能量,以至於有可能把足夠的能量轉變為質量,從而產生重粒子W±和Z°;另一個條件是碰撞的次數必須足夠多,才會有機會觀測到極罕見的特殊情況。前者是魯比亞的功勞,後者是範德米爾的功勞。魯比亞曾建議用CERN最大的加速器——SPS,作為正反質子的循環存儲環。在存儲環中,質子和反質子沿相反的方向作環形運動。這些粒子在環中以每秒十萬周的速率繞環旋轉。反質子在自然界(至少是在地球上)是不能自然產生的。但在CERN卻可從另外的加速器——PS產生。反質子可以存儲在一個特製的存儲環中,這個存儲環是由範德米爾領導的小組建造的。
SPS是CERN的質子同步加速器的代號,1971年開始建造,1976年完工,它的最大能量可達400GeV,它的主加速器平均直徑達2200m。把SPS改裝成質子-反質子對撞機後,質子和反質子可在這裏加速到270GeV,然後進行對撞,這樣,所得到的質心係能量相當於155TeV的靜止靶加速器進行同類實驗所能達到的能量。
範德米爾想出了一個非常聰明的辦法使反質子形成強大的粒子束,他的方法叫做隨機冷卻。隨機冷卻是束流冷卻中的一種方法,目的是減少在加速過程中粒子束的橫向發散度和能散度,粒子束中一部分粒子偏離設計軌道和平均能量意味著各粒子相對於它們的平均速度和軌道作不規則運動,偏離越大,不規則運動的動能也越大。用熱學中溫度的概念就說是這束粒子的溫度較高;反之,減少這種不規則運動,就相當於把粒子束“冷卻”。所謂隨機冷卻,實際上就是通過測量求得粒子束某一截麵上的粒子流重心,再用測量後不遠的校正(或冷卻)裝置的電場使重心逐漸恢複到設計軌道上去,總的效果是最後使粒子得到“冷卻”。經過冷卻,粒子束可提高粒子流密度,從而提高對撞機的亮度。
在SPS存儲環的周邊上有兩個碰撞點,碰撞點周圍有一係列巨大的探測係統,可以記錄生成粒子的信息。最大的一台探測器UA1是魯比亞領導的小組建造和啟動的。這個小組共有來自12個研究所的135位物理學家。UA1探測器重200噸,價值近兩千萬美元,花了好幾年時間建成。UA1在1982年下半年的運轉中記錄了十幾億次質子-反質子碰撞,通過一係列繁瑣的數據處理分析篩選出了五個W±粒子事件。另有一台探測器UA2由別的小組建造,與第一台並行運轉。UA2小組共有51位物理學家在一起工作,就在UA1之後不久,它們也宣布發現了W±粒子。這個結果對UA1小組的工作起到了很好的驗證作用。1983年下半年,兩個小組都探測到了Z°粒子。
起初,放射性衰變是可用於研究弱相互作用的惟一途徑。由於加速器和存儲環的建造,這個領域的規模已經大為改觀。格拉肖、薩拉姆和溫伯格提出的弱電統一理論可以把大量事實綜合在一起。為了使理論和實驗一致起來,理論家們預言有一種新的現象,是由一個新的粒子Z引起的。這一現象在1974年就已經在CERN的實驗中首先觀測到了,格拉肖、薩拉姆和溫伯格因此在1979年榮獲諾貝爾物理學獎。現在又直接檢測到了Z°粒子。這無疑是對弱電統一理論的又一個極好的證據。這一情況大概隻有19世紀下半葉麥克斯韋提出電磁理論的情況可以與之相似。電磁理論中必須增添新的內容才能使理論協調,這一新的內容含有預言電磁波的種子,而電磁波幾乎過了20年才被赫茲發現。現代的弱電統一理論不僅包含有以電磁性的光子為力的傳遞者,還有W±和Z°之類的傳遞者,其作用像是強烈碰撞中的緩衝器。