在伊利諾伊州草原一片殘存的土地下，一群小野牛在悠閒地吃草，質子和反質子沿著一條四英里長的隧道以相反的方向高速執行。每秒鐘，數十萬個粒子在碰撞中迸發出難以辨認的粒子。這又是費米實驗室特萬加速器（Tevatron）的日常景象，這個粒子加速器坐落在芝加哥以西約50英里的巴達維亞佔地6800英畝的費米國家加速器實驗室綜合體的蔥鬱土地上。像今天這樣的日子已經有很多了，有些是例行的，有些是壯觀的；物理學家認為構成宇宙中所有普通物質和能量的17種基本粒子中，有三種是在這裡發現的。但這樣的日子不會太多了。到10月1日，為1000多個液氦冷卻超導磁體供電的電源將永遠關閉，最後一束微弱的粒子將被金屬靶吸收，從而結束這個直到最近還是世界上最強大的粒子加速器28年的執行歷史。
對於這裡數百位花了近二十年時間尋找一種名為希格斯玻色子的假設粒子的物理學家來說，關閉意味著將這場追逐——以及可能的諾貝爾獎榮耀——讓給他們的主要競爭對手，即位於瑞士-法國邊境歐洲核子研究中心（CERN）的規模更大、更強大的新型加速器——大型強子對撞機（LHC）。憑藉其17英里的周長和更高的能量，LHC已經取代特萬加速器成為世界首屈一指的粒子物理研究工具，這一地位將保持到下一個十年。
美國能源部在本財政年度結束時關閉特萬加速器的決定並沒有讓費米實驗室的任何人感到驚訝。一些物理學家曾建議能源部為這個老化的加速器再資助三年，讓它最後一次嘗試尋找難以捉摸的希格斯玻色子，理論家認為這種粒子負責賦予所有其他粒子質量。但即使是最熱心的特萬加速器老手也承認，這臺舊機器最終還是變得多餘了。“我沒有悲傷，”德米特里·丹尼索夫說。“這就像你的舊車一樣。整個科學史就是新工具的歷史。這個工具持續了25年以上。是時候繼續前進了。”
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對於丹尼索夫來說，承認這一點並非易事，他是負責執行D-Zero團隊的聯合發言人，D-Zero是橫跨特萬加速器的兩個龐大的探測器之一。兩年前，在年度美國科學促進會會議的新聞釋出會上，丹尼索夫說：“我們現在非常有、非常有機會在LHC之前看到希格斯玻色子的蹤跡。”當時，一次電氣故障導致LHC關閉了幾個月，丹尼索夫的信心也得到了費米實驗室許多人的認同。但事與願違。當LHC在2009年11月重新上線時，它迅速提升到位元萬加速器高三倍的能量。
在過去的三十年裡，D-Zero的主要競爭對手一直是特萬加速器的另一個巨大的探測器，即費米實驗室的對撞機探測器（CDF），它位於加速器上方，距離D-Zero一英里遠的草地上。來自數十個國家的數百名物理學家在每個探測器工作。
今年春天，CDF的物理學家宣佈，他們在資料中發現了似乎是新粒子的跡象。特萬加速器是否在其衰落的日子裡，發現了希格斯玻色子的第一個明顯跡象？丹尼索夫和他在D-Zero的同事立即開始複核CDF的結果。《大眾科學》付印時，這個問題仍然懸而未決。然而，有一點是明確的：加速器內部的競爭尚未結束。
“我想擊敗德米特里，反之亦然，”CDF團隊的負責人羅布·羅瑟說。“我們很友好；我們交談；我們是朋友。但我們一直想擊敗對方。現在結局不同了。LHC是壞人。以前是德米特里。我從來不想讓LHC擊敗我們中的任何一個。這就像，你不能欺負我的弟弟——只有我可以。”
隨著舊的競爭（幾乎）結束，新專案剛剛開始，費米實驗室正在經歷一個不確定的時期。整個粒子物理學科也可以這樣說。物理學家們等待一臺機器已經很久了，這臺機器可能會讓他們進入物理現實的新領域。鑑於LHC預計在未來兩年內將其碰撞能量提高一倍，關於它可能發現什麼，有許多想法：額外的維度、超對稱性（即每個已知的粒子都有一個所謂的超對稱雙胞胎）、希格斯玻色子，當然還有。最好的是完全出乎意料的東西。然而，還有另一種可能性，通常被忽視，但不可能完全排除。它同時讓物理學家們擔憂和好奇：如果LHC以及計劃在沒有特萬加速器的費米實驗室進行的未來十年的粒子物理實驗，什麼出乎意料的東西都沒有發現呢？
未知的目的地
不久前，物理學家們對特萬加速器抱有與現在對LHC相同的許多希望。在LHC啟動的十五年前，費米實驗室的物理學家認為特萬加速器可能會捕獲希格斯玻色子，找到超對稱性的證據，確定暗物質的性質等等。
除了獲得諾貝爾獎之外，希格斯玻色子的發現還將為物理學的一個輝煌時代畫上句號。希格斯玻色子是標準模型中最後缺失的一塊，標準模型是一個複雜的理論體系，它用17種基本粒子的相互作用來描述宇宙。它統一了自然界的四種力中的三種：強力（將原子核結合在一起）、弱力（負責粒子衰變）和更熟悉的電磁力。（引力是標準模型中唯一沒有描述的力。）理論家們在近40年前完成了標準模型的最終潤色，從那時起，它的每一個預測都得到了實驗的證實。
1995年，CDF和D-Zero團隊做出了最令人印象深刻的證實之一，他們發現了頂夸克——一種巨大的基本粒子，其存在最早在1973年就被預測到。在那場競賽中，特萬加速器擊敗了一個名為超級質子同步加速器的歐洲對撞機，該對撞機現在用於將粒子注入LHC。這是特萬加速器最偉大的勝利，並確立了標準模型是對宇宙的極其精確的描述，至少在物理學家可以用他們最好的加速器探測到的能量範圍內是如此。
2001年，經過五年的升級，世界上最好的加速器變得更好了。物理學家們希望，新的、改進的特萬加速器不僅能發現希格斯玻色子——標準模型的最後一塊未被發現的部分——還能揭示標準模型之外的新現象。儘管標準模型具有強大的預測能力，但物理學家們知道它不可能是對自然的完整描述。除了未能納入引力之外，它還有兩個明顯的缺點。標準模型沒有對暗物質做出任何解釋，暗物質影響星系的運動，但似乎不與普通物質相互作用。它也未能解釋暗能量，這是一種完全令人費解的現象，它似乎正在加速宇宙的膨脹。
但儘管進行了升級，特萬加速器仍未能超越它曾壯觀地驗證過的理論。“十年前，我們預計能破解這個難題，但我們還沒有做到，”費米實驗室的理論物理學家鮑勃·奇爾哈特說。“那裡存在著一個我們尚未發現的存在層面。標準模型在預測如此多的事物方面做得如此出色，但它卻有如此明顯的不足。它就像一個白痴天才。”
在某種意義上，特萬加速器的遺產是標準模型真的、真的非常有效。這不是一個小成就，但它從來都不是最終目標。“我們本應肯定能找到希格斯玻色子，”斯蒂芬·姆雷納說，他是一位計算物理學家，於20世紀90年代中期來到費米實驗室。“如果存在超對稱性，我們也應該能找到它。”
物理學家們現在希望LHC能夠成功地彌補特萬加速器的失敗，帶領他們進入新的領域，並提供線索，最終可能使他們能夠取代標準模型。姆雷納和他的大多數同事一樣，認為LHC遲早會找到希格斯玻色子。“我認為它會在今年或明年發生。我會在那裡下注，”他說。“如果我們找不到它，我對我找不到任何東西的信念會大大增加。”
這就是探索的問題：也許那裡什麼都沒有。一些物理學家推測，在他們現在能夠探測到的領域和真正的新物理學可能出現的領域之間，存在著一個“能量沙漠”。如果是這樣，新的發現可能還需要幾十年才能到來。LHC可能是有史以來建造的最強大的加速器，但它並沒有強大到物理學家可以完全確定它將突破到另一個現實層面。
完成這項工作的真正工具是超導超級對撞機（SSC），這是一臺周長54英里的機器，它將使LHC相形見絀。它本應能夠產生能量幾乎是LHC最大能量三倍的粒子束。但成本超支導致國會在1993年取消了這個專案，儘管在德克薩斯州沃克薩哈奇小鎮附近的建設已經開始。“SSC從一開始就被設計成探測一個能量尺度，在這個尺度上，我們的預期是絕對、肯定地會有新的東西發生，”姆雷納說。“它確實是應該建造的正確的對撞機。LHC是一個廉價的表親。但現在它已經足夠好了。”
當然，除非它不夠好。姆雷納說，如果LHC未能找到希格斯玻色子或做出其他重大發現，物理學家將很難證明更先進的加速器的成本是合理的。“你可以問，找到希格斯玻色子與美國經濟或反恐戰爭有什麼關係，或者其他什麼，”他觀察到，“現在我們透過說知識惠及每個人來過關。人們想知道宇宙是如何運作的。而且我們正在培養很多人，而且總是把周圍最聰明的人聚集起來，給他們一個非常困難的問題，因為通常會有衍生品，這是一個好主意。但在某種程度上，物理學變得越來越不相關。”
換句話說，如果能量沙漠是真實存在的，我們可能無法鼓起勇氣穿越它。“我實際上是SSC的遺老，”姆雷納說。“我在它最後一年做博士後。從那時起，我就一直在等待它的替代品，在一個相當嚴峻的就業市場中生存下來。我們需要成功。我們需要找到新的東西。”
來世
世界上第一臺粒子加速器是1929年由加州大學伯克利分校的物理學家歐內斯特·勞倫斯製造的。他稱之為質子旋轉木馬。它直徑五英寸，由青銅、封蠟和玻璃製成，可能花費了大約25美元。大約80年後啟動的LHC耗資100億美元。它的建設需要國際合作，覆蓋面積相當於一個小鎮。即使LHC非常成功，在可預見的未來，也不太可能出現類似的規模飛躍。
“我們知道如何將能量提高10倍，但那將花費10倍以上的成本，”費米實驗室主任皮埃爾·奧多內說。“而且我們已經達到了各國願意支出的極限。”
在未來十年及以後，美國首屈一指的物理設施將生活在LHC的陰影下。奧多內說，費米實驗室將開展各種專案，如果特萬加速器繼續執行，這些專案可能會被推遲或取消，但很明顯，世界粒子物理學的重心已經轉移。“在理想的世界中，我們本可以在不關閉其他設施的情況下保持特萬加速器的執行，”他說。“但資金不足。”費米實驗室目前正在進行實驗，透過從費米實驗室的一個源頭嚮明尼蘇達州礦井中的探測器發射中微子，研究中微子的物理學——可能是所有基本粒子中最不為人所知的粒子，發射距離穿過450英里的地殼。費米實驗室的科學家還將參與暗能量巡天專案，這是一項對暗能量性質進行天文調查的專案。
但壓倒一切的機構目標是再次主辦世界上最強大的粒子加速器。奧多內希望到2020年，實驗室將完成一個名為X專案的加速器的建設。這個一英里長的機器的近期目的是為費米實驗室的實驗產生中微子和其他粒子。從長遠來看，這個相對較小的加速器將作為一個技術試驗檯，這些技術有一天可能使建造LHC的經濟型後繼者成為可能。
“X專案是通往重返高能物理前沿的橋樑，”專案經理史蒂夫·霍姆斯說。“這是一個抓住領導地位並保持它的機會。當午餐時有人問我我們這裡的未來是什麼時，我說美國在過去70年中一直領導著世界高能物理學。這是物理學最基礎的領域，作為一個偉大的國家，我們必須渴望做到這一點。我不能告訴他們的是我們何時會到達那裡。”
我們可能還沒有聽到來自特萬加速器本身的最後訊息。丹尼索夫、羅瑟和他們在舊加速器的兩個探測器中的同事已經收集了足夠的資料，讓他們在關閉後至少忙碌兩年。大量的資料可能有助於充實LHC的初步發現。甚至有可能在費米實驗室的某個硬碟驅動器中埋藏著一些新的結果，只是等待分析。今年春天的一段時間，看起來特萬加速器可能已經給了我們超越標準模型物理學的第一個暗示。
4月，羅瑟的CDF團隊宣佈，他們在CDF收集的資料中發現了非常初步的證據，證明存在一種新的粒子或自然力。在少數但具有統計學意義的案例中，物理學家們在資料中發現了一個峰值，粒子數量超過了標準模型的預測。這些粒子似乎是某種更重粒子的衰變產物，可能是一種意想不到的希格斯玻色子形式。
到5月底，CDF團隊再次分析了資料。“峰值仍然存在，”羅瑟當時說。然而，不到兩週後，羅瑟的長期同事和競爭對手丹尼索夫表示，D-Zero團隊已經完成了對CDF資料的獨立分析。“我們什麼都沒看到，”他在新聞釋出會上說。
目前尚不清楚峰值是否能在進一步的審查中倖存下來。兩個小組現在正在比較他們的結果，看看CDF的分析可能在哪裡出錯——如果它真的出錯了。目前，物理學的新時代似乎被擱置了，就像過去30多年一樣。如果峰值消失了，那將是一種遺憾。發現希格斯玻色子本可以為特萬加速器畫上一個完美的句號。在接下來的一年左右，我們可能會發現LHC是否能做得更好。