加速器中微子實驗先驅(qū)杰克·斯坦伯格去世，王貽芳撰文紀念
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極為仰慕的大家。80 年代時，歐洲核子中心的大型輕子對撞機（LEP）上有四個實驗，其中有兩位發(fā)言人是諾貝爾獎獲得者：丁肇中和杰克·斯坦伯格。那是一個讓人極為懷念的時代，一個對未來充滿憧憬的時代。經(jīng)常能見到這些大家，親耳聆聽他們的學(xué)術(shù)報告和他們對科學(xué)的見解，親眼看到他們的研究和工作方式，甚至有機會一起喝咖啡、吃飯、聊天，對我們的成長有不可估量的意義。
我沒有機會在斯坦伯格的指導(dǎo)下工作，但有許多朋友在他的 ALEPH 實驗組工作，聽到過許多他的故事。當然，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展，加速器中微子在其中起到了重要作用。事實上，今天測量中微子振蕩 CP 相角的最好方法就是利用加速器中微子，美國的 LBNF-DUNE 實驗和日本的 JPARC-HyperK 實驗如果能取得完全成功，將測得 CP 相角，也許會基本結(jié)束中微子振蕩這個研究領(lǐng)域。但這不是加速器中微子應(yīng)用的終點，也許是另一個起點：對地球進行 CT 掃描。
我相信，斯坦伯格的在天之靈會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，中科院院士）
以下內(nèi)容譯自《華盛頓郵報》（The Washington Post）2020 年 12 月 17 日刊登的訃告，原文標題：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：math_hmat）與《粲美集》（訂閱號：Charm_and_Beauty），轉(zhuǎn)載請注明出處。
杰克·斯坦伯格（Jack Steinberger，或譯作“施泰因?格爾”），一位生于德國，因逃離納粹統(tǒng)治而移居美國的男孩，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。
他的家人確認了他的離世，但是沒有披露他的死因。
作為一個諾獎成就來自于他在紐約的哥倫比亞大學(xué)以及紐約?島的布魯克海文國家實驗室的工作的美國公?，斯坦伯格博士選擇將生命中的后半部分時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。但是，作為戰(zhàn)后他與故鄉(xiāng)德國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。
在他被命運慷慨地從歐洲救至美國之后，他被一戶美國寄養(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?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)生涯的起點很低，他在戰(zhàn)爭時效力于美國陸軍，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。
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。他們在 1962 年完成的這項實驗被認為是粒子物理學(xué)的一座里程碑。
他們的實驗是對宇宙中人類不完全了解的領(lǐng)域的一次進軍，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。他們被認為制作了第一個研究涉及弱相互作用力的過程的高能物理實驗。
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。
這項獲得諾?爾獎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，并通過幾個復(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，這種撞擊會產(chǎn)生一種叫做 π 介子的粒子。而這種粒子的衰變產(chǎn)物會產(chǎn)生實驗所需的中微子。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)且不會被停下的特性為上文的問題提供了一個解決辦法。為了解決這一問題，報廢戰(zhàn)艦的裝甲板被征用了起來，組成了一個超過 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重達幾噸的中微子探測器，這個探測器如此的厚重，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器的情況下，也能多多少少能有幾個中微子會在探測器中留下些轟擊的痕跡。最終，在實驗運行了幾個月之后，在轟擊靶標產(chǎn)生了海量（大約有 100 萬億個）的中微子之后，科學(xué)家們終于觀測到了不到 60 個他們希望觀測到的事件。
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。
這項工作因為證明了中微子有兩種形態(tài)而在物理學(xué)界廣為人知。這個實驗被人稱為“兩個中微子的實驗”，萊德曼開玩笑說，“兩個中微子”聽起來就像是一個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)配對對于物理理論的創(chuàng)建者們來說卻是一個嚴肅的事情。
給電子和 μ 子提供一個它們相應(yīng)的中微子，這種配對操作可以展示如何組織和解釋當時正在不斷變大的基本粒子表。當時，這些從越來越高能量的實驗中不斷出現(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準模型。斯坦伯格博士的工作為建立標準模型的事業(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，他出生在德國巴伐利亞州的巴德基辛根（Bad Kissingen）鎮(zhèn)。亨利·基辛格（美國外交家）的一位祖輩曾用這個小鎮(zhèn)的名字為自己取名。但是，由于這位美國前國務(wù)卿生于德國的其他地方，一家德國報紙曾斷言道斯坦伯格博士才是來自巴德基辛根鎮(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猶太小團體的教師。由于納粹的崛起，很顯然當時斯坦伯格一家在德國的生活不會有什么未來。
這時，有一個美國的組織表示，他們志愿把 300 名猶太兒童帶去美國生活。所以在 1934 年，斯坦伯格博士和他的哥哥被帶上了一艘船，遠赴美國。
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，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)院正在研制雷達的輻射實驗室。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共產(chǎn)主義者，但他堅定的拒絕了去簽署一份效忠宣誓來證明這一點。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，他們當時正在為建造一個名為“ALEPH”的、將在 CERN 正在建設(shè)中的電子-正電子對撞機上運行的探測器作準備。這個實驗的測量結(jié)果關(guān)鍵且精準，后來為標準模型的驗證提供了重要的證據(jù)。
作為一個管理人員，斯坦伯格博士不僅經(jīng)常通過管理和指導(dǎo)來為探測器的建設(shè)作出貢獻，他還會親自參與設(shè)計以及對物理的分析。
但他曾說過，這種事必躬親的狀態(tài)到 1995 年就結(jié)束了，因為后來的工作越來越具有技術(shù)挑戰(zhàn)性，尤其是那些因使用計算機而帶來的革新。他補充說道，“我已不能與年輕一代競爭了?！边@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?爾獎外，他獲得過的榮譽還包括美國國家科學(xué)獎?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)育的兩個兒子，以及與第二任妻子所養(yǎng)育的兩個孩子。
斯坦伯格博士于 1997 年參觀了他在伊利諾伊州時讀過的高中，與學(xué)生、老師在科學(xué)系一起度過了一些時光。據(jù)學(xué)校里的人說，在那次參觀的三年以后，一個貼著外國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?爾獎獎?wù)?。他當時寫道：“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最榮幸的時刻之一，很高興我的獎?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?爾獎獎?wù)碌脑靸r估計在一萬美元左右。而根據(jù)新聞報道，最近一個被賣出的獎?wù)鲁山粌r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”。
