這是粒子物理學的一次巨大成功——許多人都渴望參與其中。2012年，利用世界上最大的粒子加速器——大型強子對撞機 (LHC) 發現了希格斯玻色子，這促使日本科學家提出主辦其繼任者。該機器將以大型強子對撞機的成功為基礎，極其精細地測量希格斯玻色子和其他已知或即將發現的粒子的特性。
但正如 8 月 8 日在芝加哥舉行的國際高能物理會議 (ICHEP) 上的討論所表明的那樣，粒子物理學的下一步發展現在看來不太確定。很大程度上取決於大型強子對撞機是否會挖掘出標準粒子物理模型之外的現象——它尚未做到這一點，但物理學家仍然對此抱有期望——以及中國建造大型強子對撞機繼任者的計劃是否會向前推進。
當日本科學家提議主辦國際直線對撞機 (ILC) 時，一群國際科學家已經起草了其設計方案。ILC 將使電子和正電子沿著 31 公里長的軌道碰撞，這與 27 公里長的大型強子對撞機形成對比，後者使質子在位於歐洲粒子物理實驗室 CERN 的環形軌道中碰撞。
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由於質子是由夸克組成的複合粒子，碰撞會產生大量的碎片。相比之下，ILC 的粒子是基本粒子，因此可以提供更乾淨的碰撞，更適合精確測量，這可能會揭示與預期行為的偏差，從而指向標準模型之外的物理學。
希格斯研究
對於物理學家來說，詳細研究希格斯玻色子和最重的“頂”夸克（第二個最近發現的粒子）的機會，足以成為建造該設施的理由。日本文部科學省 (MEXT) 預計將在 2016 年就是否主辦該專案（可能在 2030 年左右開始實驗）做出決定。但日本文部科學省諮詢小組去年表示，僅靠研究希格斯玻色子和頂夸克的機不會證明建造 ILC 是合理的，並且它將等到大型強子對撞機首次最高能量執行結束（計劃於 2018 年）之後再做出決定。
日本高能加速器研究機構 (KEK) 總幹事山內正典在關於未來設施的 ICHEP 會議上表示，這意味著該小組尚未被 ILC 的論點說服，即無論大型強子對撞機發現什麼，都應該建造 ILC。“這就是他們宣告中隱藏的含義，”他說。
如果大型強子對撞機發現新現象，這些現象將進一步為 ILC 研究提供素材，並加強建造高精度機器的理由。
美國物理學家長期以來一直支援建造直線對撞機。山內說，一個由文部科學省和美國能源部組成的聯合小組正在討論降低 ILC 成本的方法，目前估計成本為 100 億美元。降低約 15% 是可行的——但他補充說，日本需要其他國家的資金承諾才能正式同意主辦。
中國競爭者
緊隨日本之後的是中國團隊。在希格斯玻色子被發現後的幾個月裡，由北京高能物理研究所所長王貽芳領導的物理學家團隊提出了一個計劃，計劃在 2030 年代主辦一臺對撞機，部分資金也來自國際社會，重點是精確測量希格斯玻色子和其他粒子。
這個 50-100 公里長的電子-正電子對撞機是環形的而不是線性的，它不會達到 ILC 的能量。但這將需要建立一個隧道，以便以大大降低的成本建造一臺類似於大型強子對撞機但更大的質子-質子對撞機。
王貽芳在 ICHEP 會議上表示，今年王貽芳及其團隊從中國科技部獲得了約 3500 萬元人民幣（500 萬美元）的資金，用於繼續該專案的研發。上個月，中國國家發展和改革委員會駁回了該團隊進一步提出的 8 億元人民幣的請求，但王貽芳表示，其他融資渠道仍然暢通，該團隊現在計劃專注於提高國際社會對該專案的興趣。
山內說，中國提出的方案肯定了全球對希格斯物理學的興趣，這加強了日本建造 ILC 的理由。但如果中國方案得以實施，可能會從 ILC 中吸走國際資金，並使其未來變得更加不穩定。“這可能會產生負面影響，”他說。
超級大型強子對撞機
未來，利用中國的電子-正電子對撞機作為巨型質子-質子對撞機的基礎，可能會干擾 CERN 自己建造周長 100 公里的環形機器的計劃，該機器將以超過大型強子對撞機 7 倍的能量將質子碰撞在一起。在 2030 年代中期之前，CERN 將忙於升級，這將提高大型強子對撞機質子束的強度——但不會提高能量。到那時，中國可能已經擁有合適的隧道，這可能會使為“超級大型強子對撞機”爭取支援變得更加困難。
在 ICHEP 上，CERN 總幹事法比奧拉·賈諾蒂提出了一個臨時想法：到 2035 年左右，透過安裝新一代超導磁體，將大型強子對撞機的能量提高到超出目前的設計水平。賈諾蒂說，如果大型強子對撞機在 14 TeV 時發現新的物理現象，那麼將能量從 14 萬億電子伏特 (TeV) 適度提高到 20 TeV 將具有強大的科學依據。其 50 億美元的價格標籤可以從 CERN 的常規預算中支付。
幾十年來，連續的設施都發現了標準模型預測的粒子，而大型強子對撞機及其任何擬議的繼任者都不能保證會發現新的物理現象。在 ICHEP 會議上提出的問題揭示了與會者的一些反思，包括呼籲讓年輕的高能物理學家對該領域的未來放心，以及思考是否應該將資金更好地用於其他方法，而不是建造更大的加速器。
事實上，美國正在押注中微子，這種基本粒子可能會揭示標準模型之外的物理學，而不是對撞機。位於伊利諾伊州巴達維亞的費米國家加速器實驗室 (Fermilab) 希望透過主辦耗資 10 億美元的長基線中微子設施，成為世界中微子物理學的中心，該設施將於 2026 年開始向一系列探測器發射中微子。資金將需要獲得美國國會在 2017 年的批准。但在 ICHEP 會議上，費米實驗室主任奈傑爾·洛克耶爾充滿信心：“我們已經過了不歸路。這正在發生。”
本文經許可轉載，並於2016 年 8 月 19 日首次發表。