彼得・卡爾姆斯（物理學家）

彼得・伊格納茲・保羅・卡爾姆斯（Peter Ignaz Paul Kalmus，1933年1月25日出生）是一位英國粒子物理學家，倫敦瑪麗王后大學物理學榮譽教授。

早年生活

卡爾姆斯於1933年1月25日出生於布拉格，1939年與父母及弟弟喬治・卡爾姆斯（George Kalmus）移居英國。他的妹妹艾爾莎（Elsa）出生於1945年。全家於1946年成為英國公民。

教育背景

卡爾姆斯先後在倫敦及赫特福德郡的哈彭登就學。1943年至1951年間，他就讀於聖奧爾本斯縣立文法學校（後更名為維魯拉姆學校）。他在倫敦大學學院獲得理學士學位（1954年）和博士學位（1957年），並留校擔任研究員三年。他現為倫敦大學學院的榮譽院士。

W和Z粒子

在其職業生涯的眾多卓越成就中，由彼得・卡爾姆斯領導的倫敦瑪麗王后大學團隊，與艾倫・阿斯特伯里（Alan Astbury）領導的拉塞福-阿普爾頓實驗室團隊，以及約翰・道爾（John Dowell）領導的伯明罕大學團隊，共同加入了由卡洛・魯比亞在歐洲核子研究組織（CERN）領導的國際合作計畫，即UA1實驗。

他們建造了一個大型通用探測器，旨在研究全球最高能量對撞下的現象。這些對撞自1981年起實現，當時歐洲核子研究組織的超級質子同步加速器，依魯比亞的建議，利用西蒙・范德梅爾發明的隨機束流冷卻技術，被改造成一座質子-反質子對撞機。英國團隊共同負責設計、建造及操作一個大型強子量能器以及一個觸發處理器。

UA1探測器最著名的成果是在1983年發現了W和Z粒子。此發現為自然界中兩種看似截然不同的基本力——電磁力（發電的基礎）和弱作用力（使太陽得以發光）的統一提供了實驗證據。這兩種力的統一，是探究宇宙中所有力是否能被整合為「萬有理論」（統一場論）的一部分。電弱統一證明了先前被認為是自然界四種基本力（電磁力、弱作用力、強作用力、重力）的觀點，現已簡化為三種。

為此，歐洲核子研究組織的卡洛・魯比亞和西蒙・范德梅爾獲得了1984年諾貝爾物理學獎。艾倫・阿斯特伯里獲得1984年拉塞福獎章，而彼得・卡爾姆斯和約翰・道爾則因其在發現W和Z粒子中的傑出貢獻，共同獲得英國物理學會頒發的1988年拉塞福獎章。

主要研究

1957年至1960年 – 卡爾姆斯在倫敦大學學院的研究主要集中在新儀器的開發，協助建造了一台小型粒子加速器——29 MeV電子微波加速器、其束流引出系統，並利用四極磁鐵進行外部聚焦（這可能是該技術在英國的首次應用）。其後，他設計了一種利用契忍可夫輻射（當時的一項新技術）精確測量相對論性電子束能量的方法。

1960年至1964年 – 卡爾姆斯任職於美國阿貢國家實驗室，起初在由阿爾伯特・克魯（Albert Crewe）領導的粒子加速器部門工作。他負責為即將建成的12.5 Gev零梯度同步加速器設計束流傳輸設備。之後他轉至高能物理部門，並於1961年隨同由阿特・羅伯茨（Art Roberts）帶領的阿貢團隊前往歐洲核子研究組織。正是在那裡，他首次遇見了約翰・道爾，兩人共同設計並在新建的25 GeV質子同步加速器上建立了一條粒子束線。阿貢團隊利用此束線，透過一個置於磁場中的大型光學火花室，進行了一系列超子極化的測量：這項開創性技術後來成為許多其他電子成像室的基礎。1962年返回阿貢後，他與芝加哥的一個團隊合作進行了一項關於玻色子產生的實驗，這項工作在他之後以芝加哥大學訪問科學家的身份多次訪美期間完成。

1964年起 – 卡爾姆斯被任命為倫敦大學瑪麗王后學院的講師。他開始與拉塞福實驗室的艾倫・阿斯特伯里展開研究合作，這段合作持續了約20年，直到艾倫・阿斯特伯里移居加拿大為止。瑪麗王后學院與拉塞福實驗室的合作團隊在拉塞福實驗室新建的Nimrod加速器上進行了一系列實驗，主要集中在強交互作用物理學領域：質子-質子對撞中的核子同量異位素產生，以及大角度彈性質子-質子散射，這次使用的是帶有聲波讀出裝置的火花室。此加速器的實驗結果為夸克模型的建立奠定了實驗基礎。

1970年，這個合作團隊將其活動轉移到歐洲核子研究組織，展開一系列關於低能反質子-質子交互作用的實驗。達斯伯里實驗室和利物浦大學的物理學家也加入了他們的行列。卡爾姆斯設計了當時全球最強的低能反質子束流。這些關於彈性及雙體介子通道的微分截面和極化的實驗，最終發現了三種新介子並確定了它們的量子數。1974年至1978年間，他們在Nimrod加速器上進行了最後一系列實驗。卡爾姆斯設計了一條新的低動量束線，這次是為K介子而設，用於一系列使用極化氘靶的實驗。他們對K介子-核子彈性散射及電荷交換極化進行了幾項關鍵測量。

1977年底，由彼得・卡爾姆斯領導的瑪麗王后學院團隊，與艾倫・阿斯特伯里領導的拉塞福-阿普爾頓實驗室團隊及約翰・道爾領導的伯明罕大學團隊，共同加入了卡洛・魯比亞在歐洲核子研究組織的UA1國際合作計畫。參與的英國團隊共同負責設計、建造及操作一個大型強子量能器以及一個觸發處理器，作為UA1合作計畫的一部分。該量能器用於測量對撞後產生的強交互作用粒子的能量，由7000片塑膠閃爍體組成，總質量達30噸，被放置在大型電磁鐵返回軛的插槽中。閃爍體片的測試工作是在瑪麗王后學院利用宇宙射線完成的。閃爍體發出的光透過螢光波長轉換條和光導管傳輸至磁鐵外的2000個光電倍增管。質子-反質子對撞的次數超過了記錄能力的至少1000倍。因此，必須設計一個觸發處理器——一個特製的電子設備，它必須在2微秒內決定，每1000次對撞中哪一次可能值得記錄在磁帶上以供後續分析，而其餘999次則可被永久捨棄。幾年後，隨著對撞率增加，又建造了一個新的觸發處理器。

UA1探測器最著名的成果是於1983年發現了W和Z粒子。這項工作使得歐洲核子研究組織的卡洛・魯比亞和西蒙・范德梅爾獲得了1984年諾貝爾物理學獎。1988年，彼得・卡爾姆斯和約翰・道爾因其在發現W和Z粒子中的傑出貢獻，共同獲得英國物理學會頒發的拉塞福獎章（艾倫・阿斯特伯里已於1984年獲得此獎章）。

UA1或許是截至當時粒子物理學史上成果最豐碩的合作計畫。它在夸克與輕子物理、量子色動力學的驗證、W和Z粒子的性質及其他主題上產出了豐碩的成果，已發表超過60篇論文並在無數會議上報告。這種通用探測器的概念——盡可能測量對撞機產生的所有出射粒子，並覆蓋近乎整個立體角——此後一直被用於對撞束流機器。這項工作於1989年結束。

1989年底，瑪麗王后學院團隊加入了另一個名為H1的大型合作計畫。H1合作計畫已著手為全球首座質子-電子對撞機HERA建造一個巨大的探測器，該對撞機正在漢堡的德國電子同步加速器研究所（DESY）建造中。瑪麗王后學院團隊負責為H1設計並建造一個飛行時間閃爍計數器，這個儀器對實驗的運行至關重要，它將不需要的背景干擾減少了一百倍。許多創舉來自卡爾姆斯的同事格雷厄姆・湯普森（Graham Thompson）和埃里克・艾森漢德勒（Eric Eisenhandler），尤其是在1992年卡爾姆斯成為倫敦瑪麗王后大學系主任後，研究時間減少。

著作

卡爾姆斯是約230篇科學論文的作者或共同作者。他一直強調，現代實驗粒子物理學研究是一項團隊活動，過去和現在的同事及研究生對團隊的實力作出了巨大貢獻。

學術與教育

在從事研究活動的同時，卡爾姆斯也是一位盡心盡力的大學教師。他教授過無數物理課程，範圍從大學預科的A-level到國際研究生院的水準。他最初的教學工作是在1955年至1960年間，於北倫敦理工學院和切爾西理工學院的夜間部進行。自1964年以來，他一直在瑪麗王后學院（現為倫敦瑪麗王后大學）教授各級課程。卡爾姆斯於1966年成為瑪麗王后學院的準教授，並於1978年升任教授。

1992年，卡爾姆斯被任命為瑪麗王后學院的系主任。這嚴重限制了他個人參與H1研究計畫的時間，但該計畫在其同事的積極參與下持續蓬勃發展。

卡爾姆斯在1998年達到法定退休年齡後，被授予榮譽教授頭銜。然而，他繼續在系裡全職工作。他決定不再參與涉及龐大團隊的合作研究，而是將更多時間投入到其他物理學興趣上，例如參與英國物理學會的事務，特別是致力於提升公眾對科學的認知與理解。

彼得・卡爾姆斯現仍以倫敦瑪麗王后大學物理學榮譽教授的身份活躍於學術界。

科學普及

卡爾姆斯一直熱衷於促進公眾對科學的認知與理解。他自1950年代末期開始進行推廣講座，最初是向婦女協會講解核能（當時一種新穎的電力來源）。卡爾姆斯是這方面的先驅，因為在那個時代，科學普及被一些科學界的資深成員視為可疑之舉。然而，卡爾姆斯始終認為科學家有責任解釋他們在做什麼，並在其整個職業生涯中堅持不懈。在皇家學會一份具影響力的報告發表後，特別是自1994年英國新的研究委員會成立以來，這類推廣活動不僅變得受人尊敬，甚至幾乎成為強制性的。

卡爾姆斯在物理學界以其推廣工作及為學校和一般大眾舉辦的科普講座而聞名。這些講座也曾在英國科學促進會（現稱英國科學協會）、英國皇家科學研究所、英國物理學會、科學教育協會、愛丁堡科學節、伯恩茅斯藝術節、科學與天文學俱樂部以及海外數個大洲的會議上舉行。他曾做過數次關於科學主題的簡短廣播節目，並偶爾在電視上露面。

在1998-99學年期間，他在英格蘭、蘇格蘭、威爾斯及海峽群島的不同場地，為英國物理學會學校講座講了43次，總聽眾約9800人，大多是15至19歲的年輕人。應南非物理學會的邀請，這場講座暨示範於2000年初在南非的15所大學重演，為期3週，總聽眾達3500人，包括大學師生、高中生及社會大眾。

其後，他又在都柏林、貝爾法斯特及英國多地為其他聽眾進行了這場演講。他還代表英國皇家科學研究所在法國普瓦捷的未來影視城（Futuroscope）舉行了約10次關於粒子物理學不同方面的講座，對象是超過3800名前往當地進行學習考察的英國高中六年級學生。

2001年1月，作為英國物理學會與印度物理學會交流計畫的一部分，卡爾姆斯在印度進行了名為「科克羅夫特與沃爾頓講座」的演講。他在四個不同城市舉行了九場講座，有些是專業級別，有些是科普級別。他還拜訪了許多印度機構並與其人員進行了討論，並代表英國科學促進會出席了在德里舉行的印度科學大會。2004年，他再次訪問印度，代表英國文化協會舉行了15場講座。他持續在英國及海外進行演講。到2010年夏天，他自退休以來已進行了約200場演講，總聽眾達3萬人。

他曾兩次在皇家學會的學術晚會上進行展示：1984年主題為「W和Z粒子的發現」，1994年主題為「質子的結構」。

卡爾姆斯也曾擔任《科學光譜》雜誌的副主編。

專業及科學組織

在其整個職業生涯中，卡爾姆斯曾在眾多專業及科學組織中服務並作出貢獻。這些組織包括歐洲核子研究組織（CERN）、科學與工程研究委員會、粒子物理學與天文學研究委員會、英國科學促進會、英國皇家科學研究所、美國物理學會、歐洲物理學會，以及國際純粹與應用物理學聯合會。曾擔任的職位包括：

歐洲核子研究組織：

• 小組委員會主席及英國CERN代表團科學顧問，1978–1981年。

科學與工程研究委員會：

• 核物理委員會成員，1979–1982年，1989–1993年。
• 天文學與行星科學委員會成員，1990–1993年。

美國物理學會：

• 會員，1963年。
• 會士，1995年。

歐洲物理學會：

• 會員，1970年。
• 高能粒子物理委員會成員，1994–1998年。

英國科學促進會：

• 會員，1986年。
• 物理學部主席，1990–1991年。
• 榮譽會士，2002年。

國際純粹與應用物理學聯合會：

• 粒子與場委員會（C11）成員，1993–2002年。
• C11榮譽秘書，1996–1999年。
• C11主席，1999–2002年。
• IUPAP副主席，1999–2002年。

粒子物理學與天文學研究委員會：

• 教育與培訓委員會成員，1994–1998年。
• 科學普及小組成員，1994–1998年。

英國皇家科學研究所：

• MRI，1989年。
• 理事會成員，1996–1999年。
• 副主席，1997–1999年。
• 戴維・法拉第實驗室研究委員會主席，1998–1999年。

卡爾姆斯尤其積極地為英國物理學會服務，曾擔任理事會成員、多個小組和委員會的主席，以及專責教育與公共事務的副主席。2005至2009年間，卡爾姆斯擔任英國物理學會倫敦及東南分會主席。此任期最終促使該分會於2010年榮獲英國物理學會分會獎。

英國物理學會：

• 英國物理學會會士，1967年
• 高能物理學組主席，1989–1993年。
• 理事會成員，1993–2000年。
• 副主席，1996–2000年。專責教育與公共事務。
• 倫敦及東南分會主席，2005–2009年。
• 榮譽會士，2010年。

從瑪麗王后學院退休後，卡爾姆斯繼續參與英國物理學會的事務，包括在其慈善基金委員會服務、參與一個審查其期刊出版政策的小組，並作為其代表參加2005世界物理年（紀念愛因斯坦「奇蹟年」一百週年）的國際指導小組。

榮譽與獎項

• 1988年 - 英國物理學會拉塞福獎章，以表彰其在發現W和Z粒子方面的傑出工作。
• 2001年 - 倫敦大學學院榮譽院士。
• 2001年 - 因對物理學的貢獻獲頒大英帝國官佐勳章（OBE）。
• 2002年 - 英國物理學會克爾文獎章，以表彰其對物理學普及的傑出貢獻。
• 2002年 - 英國科學協會榮譽會士。
• 2003年 - 倫敦瑪麗王后大學榮譽院士。
• 2005年 - 歐洲物理學會高能物理學組推廣獎。
• 2010年 - 英國物理學會分會獎。
• 2010年 - 英國物理學會榮譽會士，以表彰其研究、教學、公眾參與及對學會的貢獻。他與僅38位其他獲此殊榮者並列，其中包括7位諾貝爾獎得主。

個人生活

卡爾姆斯的父親漢斯・卡爾姆斯（Hans Kalmus）是一位知名的生物學家，曾在倫敦大學學院工作。

他的弟弟喬治・卡爾姆斯（George Kalmus）是另一位著名的英國粒子物理學家。粒子物理學與天文學研究委員會（PPARC）在2002年的一份新聞稿中評論道：「一個家庭中出現一位粒子物理學家已是罕見之事。若有兩位，且均為該領域的領導者，則更為非凡，然而彼得與喬治・卡爾姆斯教授兄弟做到了。」

彼得・卡爾姆斯於1957年與費莉西蒂・「特里克西」・巴克（Felicity "Trixie" Barker）結婚，她於2018年去世。 他育有一子一女，以及一個孫輩。他目前居住在倫敦。

外部連結

• P.I.P. Kalmus在INSPIRE-HEP上的科學出版物

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