发现新的物理将需要一台新的粒子对撞机
在日内瓦北部的乡村，横跨法瑞边境，有史以来建造的最先进的科学机器之一已经将亚原子粒子撞击在一起超过十年了。这种设备名为大型强子对撞机()，可以加速质子束(一类被称为强子的粒子的成员)绕着27公里的环向相反的方向加速，直到它们达到几乎光速。然后，强大的磁铁迫使这些质子发生正面碰撞，导致它们携带的能量被转换成物质--正如爱因斯坦最著名的方程E=mC2所描述的那样。那又有什么关系呢！因为通过对碰撞中喷出的物质进行分类，物理学家们可以短暂地瞥见宇宙的基本构件，以及束缚或排斥它们的力。
它属于世界领先的粒子物理实验室。这是研究人员在过去一个世纪里建造的一长串日益复杂的机器中的最新一台，这些机器的目的是找出宇宙真正的运作方式。这一努力的结果是有史以来最成功、最受考验的科学思想之一：粒子物理标准模型(见图表)。
然而，标准模型并不是万能的理论。它留下了许多无法解释的东西。因此，尽管他们数十亿法郎的玩具至少还有20年的碰撞时间，物理学家们已经在考虑接下来会发生什么。这意味着建造一台更强大的机器，它可以达到更高的能量，从而产生更重、更有趣的粒子。而建造这台机器反过来又意味着建立支付这台机器的政治意愿，并决定它将在哪里建造。这可能是在，也可能是在日本，也可能是在中国-这一前景对目前该领域的首要国家美国来说是不受欢迎的。
标准模型是对所有已知基本粒子的量子力学描述：从质子和中子内部的夸克，到围绕原子核运行的电子，再到携带电磁力并照亮宇宙的光子。与爱因斯坦的广义相对论不同，广义相对论是“物理学中最重要的理论”桂冠的竞争对手，它不是一个孤独的天才沉思的产物。虽然这个名字可以追溯到1975年，但这个模型的实质是由数以万计的科学家在世界各地进行了数百次实验后，在80多年的时间里一点一滴地发展起来的。拼图的最后一块是希格斯玻色子，它赋予某些其他粒子质量，从而将模型联系在一起。理论家在1964年预测了希格斯玻色子，并在2012年发现了希格斯玻色子。
然而，希格斯粒子的发现本应是一个开始，也是一个结束，因为标准模型现在需要扩展成更大的东西。例如，它不包括重力。这就是广义相对论的范畴。暗物质也不存在。这是一种看不见但可以通过引力效应检测到的物质，占宇宙的27%-是所谓的恒星、行星、人等正常物质的五倍多。它不包括暗能量，这是一种性质未知的东西，它构成了现实剩余的68%，并以某种方式将宇宙中的其他一切推开。
标准模型确实包括反物质。但它预测，等量的物质和反物质应该是在时间开始时出现的，到现在，它们应该已经相互湮灭了。由于这种情况显然没有发生--如今这种情况很常见，而反物质也非常罕见--这一预测需要认真重新评估。
这些不足之处中的每一个都指向了尚未被发现的物理定律、粒子和力--物理学家原本预计这些奥秘现在应该已经开始解开了。但事实并非如此。这表明他们关于标准模型之外的东西的假设肯定是错误的，这些假设是这些预期的基础。
最沉重的期望被寄托在一种被称为超对称的优雅思想的肩膀上。这一理论是在过去的50年里发展起来的，它是一种从标准模型中去掉行业中许多被称为模糊因素的东西的方法。模糊因子是一个任意值，可以使模型工作，但它本身无法进行更深层次的解释。在标准模型中，可以通过为每个标准模型粒子引入一个更重的“超对称”伙伴来消除许多这样的胡言乱语，但这种伙伴还没有被看到。例如，假定的电子和夸克的超伙伴被称为选择电子和夸克。
超对称性还可能消除标准模型的另一个不足之处。另一种标准模型粒子--中微子的超对称伙伴是所谓的中微子。而中性子似乎是暗物质组成成分的候选者。
不幸的是，在经历了近十年的能量越来越高的碰撞之后，除了希格斯本身，没有什么新的东西出现。没有隐藏的维度。没有无法解释的现象。没有超对称粒子。因此，对许多物理学家来说，超对称性失去了它的光彩。在无数争相取代它的选择中，没有人知道哪一个(如果有的话)可能最接近事实。
这对粒子物理学的从业者来说都是一个令人头疼的问题-在这个领域，实验的费用是出了名的昂贵，而且需要几十年的时间才能建立起来。这也是令人困惑的，因为物理学家们已经开始期望他们或多或少可以预测他们在他们的机器上接下来会看到什么。20世纪的美国理论物理学家尤金·威格纳(Eugene Wigner)将这种期望称为“数学在自然科学中不合理的有效性”，它始于正电子(相当于电子的反物质)的发现。
正电子是在20世纪20年代由一个位于标准模型基础上的公式预测出来的。这个公式以其创建者保罗·狄拉克的名字命名为狄拉克方程，它表明存在带正电荷的电子和人们熟悉的带负电荷的电子。就像预测的那样，他们被寻找并找到了。人们对数学预言能力的信心一次又一次地得到证实，直到人们预测已久的希格斯粒子的胜利发现。但超对称性的失败严重削弱了这种信心。
然而，不管细节如何，人们的共识是，寻找超越标准模型的物理的途径是通过希格斯玻色子本身。这意味着要细致入微地检查和刻画该物体的特征。例如，物理学家不知道它是否真的是一个没有内部结构的基本粒子(如电子或夸克)，还是由较小的物体组成的复合体(就像质子和中子各由三个夸克组成那样)。甚至有可能，被确认为希格斯的粒子实际上并不是标准模型预测的粒子，而是一种与一种尚不知名的理论不同的粒子，该理论恰好具有希格斯的预测质量。
令人恼火的是，虽然现在可以可靠地产生大多数人仍然认为是希格斯玻色子的东西，但它的仪器不能轻易地进行所需的精确测量，以识别标准模型中的裂缝，从而指出哪些超对称的竞争对手看起来最有希望。其中一个原因在于对撞机使用的质子作为其原材料。因为质子是由夸克组成的，而夸克由更多的称为胶子的粒子结合在一起，质子-质子碰撞实际上涉及六个夸克和多个胶子，因此是令人难以置信的混乱。
然而，有一种方法可以解决这种混乱：使用电子代替。由于电子是真正的基本元素，涉及它们的碰撞比质子之间的碰撞更干净。但这是要付出代价的。电子的质量大约是质子的千分之二，在给定的速度下，动能按比例较小。因此，要让它们有足够的能量来产生希格斯玻色子，就需要一台新的机器。
建造一台电子对撞机(或者更确切地说，是一台使电子与正电子碰撞的机器)来追随这一进程将是历史上的先例。1983年，一台名为超质子同步加速器(Super Proton Synchrotron)的强子机器被用来发现被称为W玻色子和Z玻色子的粒子，这种粒子涉及一种被称为弱核力的现象。超质子同步加速器的周长为7公里。随后，在同一实验室，大型电子-正电子()对撞机于1989年开始运行，以详细描述和了解那些新发现的玻色子。为现在修建的27公里圆形隧道容纳了。
继续这一模式，一组物理学家提议在那里建造一台新的机器，围绕一条100公里长的隧道加速电子和正电子，这条隧道将延伸到汝拉山下。这台未来的圆形对撞机()将产生能量高达365千兆电子伏特(E)的碰撞，这是物理学家用来测量亚原子粒子能量和质量的单位。它将在几十年内产生数百万个希格斯玻色子。这样的希格斯“工厂”可以让物理学家确定粒子的精确细节。
希格斯玻色子是不稳定的。它们几乎一产生就会衰变成成对的其他粒子。标准模型预测，大约60%的时间，这将产生一个底夸克和它的反物质当量。另外21%的时间会出现一对W玻色子，9%的希格斯-玻色子衰变应该最终会产生一对胶子(另外10%将导致更多的组合)。通过制造大量的希格斯玻色子，然后测量底夸克、W玻色子、胶子和其他基本粒子出现的精确速度，运行这项计划的人将能够观察到与标准模型的预测之间的差异。希格斯创造的越多，结果的统计能力就越强，研究人员就越有信心，他们测量的任何与标准模型预测的偏差实际上都代表了一些真实的东西。
它将建立在圆形对撞机数十年经验的基础上，看起来可能是它的天然继任者。但一群对立的物理学家不同意这一观点。虽然圆形对撞机统治了很长一段时间，但他们有一个问题。当带电粒子(质子、电子、正电子等)绕圈运动时，它们以射线的形式发射能量，称为同步辐射。粒子跑得越快，它们损失的能量就越多。在满功率的情况下，它可能会释放出大约100兆瓦的同步辐射(即废物)。要弥补这一点，从而确保内部粒子以最大能量碰撞，唯一的方法就是注入更多的电力，这将推高机器的操作成本。
因此，竞争对手提议完全避开环的霸权，用一个不同的继任者：线性对撞机。这会加速直线轨道两端的电子和正电子，让它们在中间相遇。有两种这样的产品可供选择。的建议是紧凑型直线对撞机。第二个是外交上命名的国际直线对撞机，它可能会在日本建造。
与环不同的是，线性对撞机可以分阶段建造，这有助于预算。然而，如果完成，这两个设计最终都将达到约50公里长。它们的碰撞能量为太电子伏特(1e，或1000e)或更多，并且会像希格斯工厂一样运作--生产出数百万个这样的玻色子。
如果粒子物理沿着线性对撞机的路线走下去，那么这些机器中的哪一台会出现在顶端还是个未知数。从表面上看，国际直线对撞机遥遥领先。来自世界各地的物理学家多年来一直在研究这一提议，2013年，他们获得了日本的支持，在本州建造了它。然而，在那之后，进度放慢了，到目前为止，还没有决定该项目是否会继续进行。为政府提供此类建议的日本科学委员会(Science Council Of Japan)仍在评估该计划。预计它将在2月份明确其意图。与此同时，似乎对建立一个新的环更感兴趣。紧凑型直线对撞机在该组织中的支持者是少数。
然而，当昔日的物理强国为下一步做什么而争论不休时，他们可能会发现自己被包围了。因为中国正以惊人的速度进入这一领域。在北京高能物理研究所所长王义芳的领导下，中国一直在培养年轻科学家，建设令人印象深刻的研究基础设施。它的旗舰提议是圆形电子-正电子对撞机()，这是王博士在发现希格斯玻色子后构思的，现在已经经过了几个技术设计阶段。
最新的版本提出了一台耗资50亿美元的机器，该机器经过优化，可以创造和研究希格斯玻色子。它将坐在一条周长100公里的隧道里，在能量达到240e左右的情况下实现碰撞。在它的规格上，它与的相差不远。虽然该项目是由中国科学家开发的，其中一些科学家曾在那里工作，但王博士也从世界各地的其他粒子物理学家那里获得了建议、支持和批判性反馈。
王博士的项目能否获得批准将取决于政府如何决定将其价值与其可能建造的其他拟议的科研设施进行权衡。例如，一个竞争对手是示范核聚变发电厂。如果政府真的批准了对撞机，它的部分考虑肯定是因为能够建造和操作这样一台技术先进的机器，从而提高了能见度和威望。中国有成为世界科学领先者的雄心，毫无疑问，粒子加速器将帮助它实现这一目标。
中国当然可以买得起王博士的对撞机，尽管它需要引进大量的加速器科学家来增强制造和操作这样一台机器的能力。如果这真的发生了，中国建造圆形对撞机的计划将看起来是多余的。但正如其自身的历史所表明的那样，当获得机器及其结果的途径尽可能开放和国际协作时，大型科学项目往往会取得最好的效果。王博士表示，他欢迎来自其他国家的资金、人才和实物捐赠。如果它成为世界上最强大的加速器，这些国家无疑会抓住加入的机会。除了一个，那就是美国。
美国是一个蓬勃发展的粒子物理学家群体的家园，他们因预测和测试标准模型的各个部分而获得了20世纪下半叶颁发的许多诺贝尔奖。然而，美国政府的科学家目前被禁止与中国同行合作，联邦资助机构也不会支付学者在中国工作的费用-这一限制将适用于该项目，如果该项目建成的话。然而，如果中国继续推进它的加速器，基础物理学的重心，可能还有该主题的下一组诺贝尔奖，肯定会搬到那里。
然而，现代物理学中的大洞不是一台机器就能解决的。所有提出后电子-正电子对撞机的小组也都在制定计划，计划在使用它们研究希格斯玻色子的细节几十年后会发生什么。研究小组提议最终将这台机器从其100公里的隧道中拆除，就像从其隧道中拆除一样，并在本世纪50年代或更晚的某个时候，用一台运行在100e的强子对撞机取而代之。在中国，王博士的团队已经开始研究类似的想法，在这个想法中，一个超级质子-质子对撞机将与之前建造的电子-正电子对撞机一起坐在隧道里。
然而，一些物理学家却不耐烦了。他们认为，应该放弃谨慎、循序渐进的做法。与其使用正电子机器精确测量希格斯玻色子，研究人员应该尽快采用100e强子机器，看看会发生什么。他们的论点是，该领域现在充斥着不确定性，这使得只关注电子-正电子对撞机是有风险的，因为这可能最终无法在足够高的能量下运行，从而深入到新物理学的领域。此外，随着探测器的改进和用于从碰撞中寻找最有用数据的算法变得更加复杂，强子对撞机输出混乱的问题可能会消失。然而，强子对撞机将永远保持其在推进发现新物理的能量障碍方面的优势。
正如2012年发现希格斯玻色子的团队成员乔恩·巴特沃斯(Jon Butterworth)所说，“我在那里的整个职业生涯对我们下一步需要做的事情有一个非常明确的路线图，但现在没有了。”我们的路线图已经不够用了。实验超前于理论。这是一段既有趣又艰难的时期。“。是真的。但话说回来，绘制地图而不是跟随地图肯定是探险的意义所在。。
这篇文章发表在印刷版的科技版上，标题为“组装未来”。