危機？什麼危機？粒子物理學的未來一直是近期的主要討論話題，關於下一代高能對撞機的決策與對是否應該首先建造如此巨大（且極其昂貴）的超級機器的懷疑形成對比。許多物理學家表示，這種批評是沒有道理的，但承認圍繞未來深入亞原子領域的探索計劃存在深刻的不確定性。
上週晚些時候，日本宣佈將推遲其決定是否建造一個名為國際直線對撞機（ILC）的新設施。在其他目標中，這臺綿延20公里、耗資估計為75億美元的巨型機器將能夠對希格斯玻色子進行前所未有的研究——希格斯玻色子是一種神秘的粒子，它賦予其他粒子質量，於2012年由瑞士歐洲核子研究中心（CERN）專門建造的大型強子對撞機（LHC）發現。日本對國際直線對撞機的謹慎態度是粒子物理學領域未來走向何方揮之不去的不確定性的症狀。“目前是粒子物理學的一個有趣時刻，因為標準模型的最後一塊重要拼圖是在希格斯玻色子的發現中找到的，”英國利物浦大學物理系主任卡斯滕·韋爾施說。“現在的問題是，接下來會發生什麼？”
世界各地的物理學家都在密切關注日本關於國際直線對撞機的辯論，因為對該專案的“是”或“否”可能會引發多米諾骨牌效應，導致其他國家的類似計劃被取消或批准。歐洲和中國都在考慮建造自己的新對撞機，但他們的最終決定將很大程度上取決於其他地方發生的事情。“如果日本政府表示他們真的想建造國際直線對撞機，那肯定會對歐洲戰略產生巨大影響，”倫敦大學學院（U.C.L.）的喬恩·巴特沃思說，他是英國歐洲核子研究中心理事會粒子物理學歐洲戰略的代表。“鑑於他們實際上已經說了‘暫時不’，那也將產生影響。”
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目前粒子物理學的主要爭論涉及研究人員接下來應該嘗試回答哪些問題。希格斯玻色子的發現基本上完成了物理學的標準模型，該理論支配著我們對亞原子世界的理解，並規定了除引力之外的所有已知基本力應如何共同作用（引力是明顯的遺漏）。然而，科學家們現在想知道我們是否應該進一步探索這個領域，製造所謂的“希格斯機器”來大量生產希格斯玻色子，或者我們是否應該尋求透過以越來越高的能量粉碎粒子來更深入地潛入物理前沿。“我們正處於一場革命的風口浪尖，但我們真的不知道這場革命將來自何方，”大型強子對撞機的粒子物理學家、杜克大學博士後研究員詹姆斯·比查姆說。“這太令人興奮和誘人了。我認為現在是成為粒子物理學家的最好時機。”
目前，大型強子對撞機仍然是地球上最強大的粒子對撞機——並且目前正在進行升級，以保持其在2020年代的領先地位。但是，更大的環形對撞機將達到比大型強子對撞機更高的能量，使物理學家能夠探測亞原子領域的新部分。今年早些時候，歐洲核子研究中心公佈了一項關於此類機器的提案，稱為未來環形對撞機（FCC），它將使用100公里長的環形隧道，使其功率超過大型強子對撞機10倍，達到100太電子伏特（TeV）的能量。然而，這樣一臺機器可能耗資超過200億美元，並且只能在2050年代開始執行，這導致一些批評家質疑這是否是正確的道路。
更復雜的是中國自己關於類似大型對撞機的計劃，稱為環形正負電子對撞機（CEPC）。大多數專家都認為，幾乎沒有必要同時建造環形正負電子對撞機和未來環形對撞機，因此歐洲正在討論是否與中國合作進行此類專案，單方面建造未來環形對撞機，還是讓中國單獨進行環形正負電子對撞機。這些問題將在定於2020年1月起草的粒子物理學歐洲戰略中得到正式解決。“我認為沒有空間容納兩臺如此規模的機器，”韋爾施說。
歐洲核子研究中心還提出了一個類似於日本國際直線對撞機的直線對撞機提案，稱為緊湊型直線對撞機（CLIC）。同樣，幾乎不需要國際直線對撞機和緊湊型直線對撞機，因此日本關於是否繼續進行的最終決定可能會有效地決定歐洲的決定。與此同時，正在開發兩項下一代非對撞機實驗，一項在美國，稱為深度地下中微子實驗（DUNE），另一項在日本，稱為超級神岡探測器（HK）。這兩個專案都旨在對中微子進行突破性研究，中微子是幾乎沒有質量的粒子，它們表現出超出標準模型物理學的微妙暗示。
這一系列的探測器和實驗表明，儘管粒子物理學遠未面臨危機，但它肯定正處於十字路口。此外，所有提案之上都漂浮著這樣一種觀點，即最明智的方法是完全推遲新機器的建造，直到潛在的突破性技術可用為止。一種這樣的技術是等離子體尾場加速，與當今對撞機中使用的龐大而昂貴的電磁體相比，這是一種使用等離子體加速粒子的更便宜、更有效的方法。“每個人都在懶洋洋地關注著它，有些人正在進行全職研究，”比查姆說。“但在幾十年甚至更長時間內，它真的不可能用於巨型對撞機。”
一些科學家甚至認為，考慮到目前粒子物理學的沉寂，現在考慮像未來環形對撞機這樣昂貴的、歷時數十年的專案還為時過早。他們認為，就環形對撞機而言，我們將在尋找我們甚至不確定存在的物理學。最糟糕的情況將是一個能量超出大型強子對撞機可實現能量的專案，該專案只會揭示一些理論家所稱的“荒漠”，這是一個貧瘠的區域，否則沒有任何新發現。“下一個更大的對撞機將非常昂貴，並且沒有明確的發現潛力，”德國法蘭克福高等研究院的理論物理學家薩賓·霍森菲爾德說。“如果大型強子對撞機在即將到來的執行和高亮度階段看不到任何東西，那麼我認為此時建造更大的對撞機不是一項好的投資。”
英國前首席科學顧問戴維·金爵士甚至更進一步，建議可能是時候結束我們所知的粒子物理學了，這不僅是因為新發現的回報可能會減少，而且還因為下一代機器將為應對更緊迫的問題帶來機會成本。“我很高興在未來環形對撞機上劃清界限，祝賀所有粒子物理學家完成了令人驚歎的工作，但建議他們轉向基礎科學的其他極其具有挑戰性的方面，”他說。“我說這話時，人類正面臨著有史以來可能面臨的最大危機，即氣候變化。我認為我們的智力資源應該集中在這方面。”
大多數頂尖物理學家可以理解地不同意這種觀點。“只有對科學一無所知的人才會相信我們正處於粒子物理學的末期，”歐洲核子研究中心理論物理系主任吉安·朱迪切說。“仍然有很多懸而未決的問題需要解答。”
這些問題包括尋找弱相互作用大質量粒子（WIMP），這是暗物質的主要候選者，它可能——但不一定——在諸如未來環形對撞機之類的機器中出現。科學家們也熱衷於測試超對稱性，即標準模型中的每個粒子都有一種“夥伴粒子”。當然，還有令人困擾的物質-反物質問題——即，如果物質和反物質在大爆炸中以相等的量產生並相互湮滅，那麼少量物質是如何設法倖存下來的？
粒子物理學家可能無法保證未來的數十億美元對撞機能夠回答這些問題，這也許並不令人意外——否則，按照邏輯，提出這些問題又有什麼意義呢？但即使那些期望中的未來設施出現，但未能結出最豐碩的果實，在此過程中獲得的知識，甚至可能是在更高能量水平上未發現的機會，也呈現出自身誘人的前景。“我們面臨著一些巨大的問題，一些我們不瞭解宇宙的事情，”康奈爾大學加速器科學與教育實驗室主任裡奇·帕特森說。“如果有可能找到答案，那麼我們就需要去追求它。”
未來一年的討論對於決定採取什麼方向（如果採取方向的話）至關重要。“在理想的世界中，我們將擁有像未來環形對撞機這樣達到100 TeV的機器，並且我們還將擁有其中一臺真正瞭解希格斯玻色子的‘鑷子’機器，”比查姆說。但這是否會成為現實還有待觀察。“現在比我職業生涯中任何時候都更令人興奮和更不確定，”巴特沃思說。