粒子物理前途迷惘？推进物理前沿，方可探求未知领域

如果我们不去推动物理学向前发展，就永远也不会知道已知之外的未知是什么。

从最基本的角度来说，宇宙是由什么组成的？这个问题驱使着科学家们数百年来不断推动科学向前发展。即使我们已经探索了一切可探索的方向，对科学依旧是一知半解。虽然大型强子碰撞型加速器（以下简称LHC）发现了希格斯玻色子，并在本世纪初建立了标准模型，我们已知的粒子总数也只是占了整个宇宙能量的5%。

我们不知道暗物质是什么，但是间接证据是压倒性的，暗能量也一样。或者像是为什么基本粒子有质量，而中微子不是无质量的这样的问题，亦或是“为什么宇宙是由物质构成，而不是由反物质构成的？“这种问题。目前我们现有的工具和研究还无法回答这些当代物理学关于存在之谜的问题。粒子物理学如今正面临一个十分两难的困境：继续努力，还是直接放弃。

图解：粒子物理学的标准模型解释了四种力中的三种（不包括引力）。一整套已发现的粒子和它们之间的各种相互作用。无论还有没有额外的粒子，和/或者由碰撞机产生的可发现的相互作用力都是有争议的课题。但是如果我们跨越已知的能量前沿去探索，才会知道什么是合适的。（短期物理教学项目/能源部/国家科学基金会/劳伦斯伯克利国家实验室）

我们都知道，粒子和交互作用都是由粒子物理学的标准模型加上引力、暗物质和暗能量控制的。而在粒子物理学实验里，标准模型可以独自进行控制。6夸克，带电轻子和中微子、胶子、光子、标准玻色子和希格斯玻色子都是由此预测出的。而且每种粒子不但被发现了，它们的性质也已经通过测试得到确认了。结果就是，标准模型可能见证了自己的成功。每个粒子和反粒子的质量、自旋、寿命、相互作用力、衰变率都经过计算，也都符合标准模型的每个预测。

我们的宇宙有着海量的谜团尚未解开，而粒子物理在如何解开以及在哪里解开这些谜团上都无法给出实验性指示。

图解：带着最后的坚持，标准模型中的粒子和反粒子现在终于都探测出来了，希格斯玻色子在本世纪初也降临在LHC中。所有这些粒子都可以由LHC的能量产生，这些粒子的质量决定了能够明显描述它们的基本常数。基于标准模型，量子场理论可以很好的描述清楚这些粒子，但是他们无法描述所有事物，比如暗物质。（伊森·西格尔／超越银河系）

听上去很诱人，所以，假设建造一个超级粒子碰撞机可能会是一场无用功。实际上，这种情况还是有可能发生的。粒子物理学的标准模型对发生在粒子间的配对有明确的预测。现在仍有一点可怜的既定参数，不难想象，下一代对撞机不会发现新的粒子。

最重的标准模型粒子是ｔ夸克，需要用１８０千兆伏的能量才能产生。当LHC的能量达到１４万亿伏（大约是ｔ夸克所需能量的８０倍）时，我们可能不会再发现新的粒子，除非有超过百万倍的能量。这也是最令人恐慌的：理论上存在的“能量荒漠”已经成数量级的扩张了。

图解：超越标准模型的新物理学一定存在，但可能要等目前地球上的对撞机产生的能量远远超过现有水平。因此，这个设想是真是假，我们唯一能做的就是观望。同时，未来的对撞机比其他工具更能让我们对粒子进行深入的探索。到目前为止，LHC已经无法显示出任何超越已知标准模型的粒子了。（回顾宇宙．CA）

但是仍可能有新的物理学在超越我们现有探索到的适度规模中出现。标准模型中有很多理论上的扩展是很普通的，在这些扩展中，有许多来自标准模型的预测偏差都可以由下一代对撞机探测到。

如果我们想知道宇宙真正的奥秘是什么，我们需要去观察。这意味着要把现阶段粒子物理学的研究前沿推进到一个全新的未知领域。现在，争论的焦点在于多样化处理，双方各执一词。然而，还有一个无法摆脱的噩梦，那就是我们并非看不到，也发现不了任何东西，而是内部斗争和无法团结一致将导致实验物理学总是失败，这也将导致我们无法拥有下一代对撞机。

图解：一个假想中的新加速器，可能是一条很长的，直线型设备，也可能建于地下巨大的隧道中，会降低新粒子的敏感度，这是以前和现在的对撞机都做不到的。几时能达到，我们也无法保证一定会发现新的粒子，但如果不做任何尝试，那么一定会一无所获。（国际直线对撞机（ＩＬＣ）联合实验室）

在决定接下来建造一个怎样的对撞机时，有两种普遍的选项：轻子对撞机（电子和正电子加速并产生碰撞）；另一种是质子对撞机（质子加速并产生碰撞）。轻子对撞机的优点是：

• 轻子是点粒子而不是复合粒子，
• 碰撞产生的新粒子将１００％继承由电子和正电子碰撞产生的能量，
• 信号质量好，易于捕捉，
• 并且能量可控，也就是说我们可以选择将能量调整到特定比率，从而使产生新粒子的可能性最大化。

总的来说，轻子对撞机适用于精密研究，而自从大概２０年前大型正负电子对撞机投入使用以来，我们就再也没有过尖端设备了。

图解：在各种电子／正电子（轻子）对撞机的质心能量里，各种希格斯粒子的产生机制可以达到显性能量。环型对撞机可以达到更高的碰撞比率，以及更多的Ｗ、Z、H、ｔ粒子产出率；直线型对撞机能够达到更高的能量值，让我们能够研究希格斯粒子的产生机制，环型对撞机则无法做到这一点。这也是直线型轻子对撞机的一个主要优势。如果他们只是耗能低（就像之前提到过的ILC），那就没有理由不去选择环型对撞机了。H. ABRAMOWICZ ET AL., EUR. PHYS. J. C 77, 475 (2017)

尽管希望渺茫，除非大自然能够仁慈地让轻子对撞机直接发现一种新粒子，但这样还不如赌一把能够找到超越标准模型中的粒子的间接证据。我们已经发现了W和Z玻色子、希格斯粒子，ｔ夸克，而轻子对撞机可以通过各种管道大量的制造它们。

我们建立有意思的项目越多，对标准模型的研究探索就会越深入。比如说，LHC能够告诉我们，如果标准模型降至１％电平（标准），希格斯粒子是否还会如常运动。在标准模型的一个广泛的扩展系列里，允许 ０.１％的偏差值，而这对未来的轻子对撞机提供的可能是最合理的物理限定。

图解：对一观测到的希格斯粒子衰退路径VS．标准模型协议，其中包含来自ATLAS（超环面仪器）和CMS（内容管理系统）的最新数据，协议内容令人震惊，也让人沮丧。到２０３０年，LHC将会获取将近５０倍的数据，但是对很多衰退路径的精度准确率只有极小的比率。未来的对撞机应当通过多个数量级提高这一比率，已显示出潜在的新粒子的存在。

这类精细研究对我们尚未发现的粒子或内部作用力有着无法想象的敏感度。当我们制造出一种新的粒子，它就会有一组特定的分支比率，也有可能会有多个衰退路径。标准模型为这些比率提供了准确的预测。因此，如果我们搞出百万千万亿万这样粒子，对它们的分支比率值的计算将达到前所未有的精度。

如果你想得到更合理的物理限定，就需要更优秀的数据。这不只是技术上的考量，下一步决定用哪种类型的对撞机，不包括从哪、怎样得到精良人才、基础设施及支持，以及可以在哪里修建（或直接在已有的基础上修建）强大的试验性、理想物理社区。

图解：将一台直线型轻子对撞机和粒子物理社区绑定，组成理想的研究LHC物理学，这种想法几十年前就有了，但要建立在LHC能发现不同于希格斯粒子的新粒子的假设上。如果我们想用标准模型的粒子的精准测试对新物理学做间接研究，那么直线型对撞机就不如环型对撞机了。

轻子对撞机一般有两种机型：环型和直线型。直线型对撞机原理很简单：在一条直线上给粒子加速，让它们在中点产生碰撞，如果加速技术达到完美，一条１１公里长的直线型对撞机能达到３８０千兆伏的能量，足以产生出W、Z、希格斯粒子或达到产量的极大值。２９公里的直线型对撞机，能量会达到１.５万亿兆伏，５０公里能达到３万亿兆伏。当然，建造成本也会随着长度的增加而涨到天文数字。

在同等能量级别下，直线型比环型更便宜点，因为只要挖一个小一点的管道就能得到同等的能量，并且不用承担因同步加速器辐射而造成的能量损耗，从而使它们能够激发出更多的潜在能量。但环型对撞机有个巨大的优势，它们能够产生更多的粒子和碰撞。

图解：未来环型对撞机的修建只是一个提案，到２０３０年，LHC的后代将达到１００公里的周长，是现在地下管道的４倍。在现有的磁力技术下，轻子对撞机的W、Z、H、ｔ粒子产出量将比过去和当下对撞机的产出高~1⁰⁴倍。(CERN （欧洲核子研究委员会）/ FCC（美国联邦通信委员会） 研究)

一台直线型对撞机如果能产生比前代对撞机（如LEP）多１０到１００倍的碰撞（这取决于能量的多少），那么环型对撞机则可以轻易做到：在产出Z玻色子所需的能量值下，产生一万倍的碰撞。

尽管环型对撞机在产生希格斯粒子上比直线型对撞机的比率更高，但在产出ｔ夸克上的能量需求上就失去了它的优势，可并且完全无法超越直线型对撞机，在这一点上，直线型对撞机占绝对优势地位。

由于发生在这些重粒子上的所有衰变和产生过程都缩放为碰撞次数或碰撞次数的平方根，环型对撞机是有深入探索物理学的潜能的，其灵敏度是直线型对撞机的数倍之多。

大量不同的轻子对撞机，它们的光度（用来衡量碰撞率及可进行检测的数量），类似于质量中的碰撞能量的功能。要注意红线，这是环型对撞机的一个选择，提供比直线型对撞机更多的碰撞。但随着能量的增加，优势会下降。超过大约３８０千兆伏，环型对撞机就到达极限了，像CLIC这种直线型对撞机就是最佳选择。(格拉纳达战略会议幻灯片/LUCIE LINSSEN(私人交流))

提案中的FCC－ｅｅ，或轻子级别的环型对撞机，将确定发现任何与Ｗ、Ｚ、Ｈ、ｔ粒子耦合的新粒子的间接证据，其能量将达到７０万亿伏：是LHC最大能量的５倍。

与轻子对撞机相对应的是质子对撞机，在这些能量极大的机器里，它的本质可以说是胶子对撞机，无法通过直线型对撞机完成，必须是环型对撞机。

图解：之前说到的FCC的规模，和现建于CERN的LHC以及曾在费米实验室运行过的万亿伏电子加速器做个对比，FCC可能是迄今为止最有希望通过提案的下一代对撞机－包括轻子和质子这两个选项作为其拟议科学计划的各个阶段。（帕查理托／维基百科）

关于修建，事实上只有一个符合要求的地方，那就是欧洲核子研究委员会（CERN）。因为这不但需要一个新的、巨大的管道，还需要有之前各个时期所有的基础设施，这些要求只有CERN具备。（我们也可以去别处修建，但比起一个地方已经有了一定的基础，比如LHC和更早一些的SPS来说，那造价可要高出许多了。）

正如LHC占用了以前LEP占用的通道一样，环型对撞机也可能被新一代环型质子对撞机取代，就像之前说到的FCC－ｐｐ一样。然而，你无法让一台探索型质子对撞机和一台精密型轻子对撞机同时运行，一台退役了，另一台才可以启动。

图解:在CERN的CMS探测器，是迄今两大最强大的粒子探测器之一，平均每２５纳秒，在它的内部就会产生一个新粒子束。新一代探测器，无论是轻子还是质子对撞机，都有可能记录到比现在的CMS或ATLAS探测器更多的数据，速度更快，精度更高。（CERN）

做出正确的决定十分重要，因为我们不知道大自然在我们已探索的范围之外还藏有什么秘密。用更大的能量去直接解锁潜在的新发现，就会得到更高的精度、更多的统计数据作为新物理学存在的强有力直接证据。

早期的直线型对撞机建造费用约为５０ ７０亿美元，包括了管道，而质子对撞机的半径是LHC的４倍，磁力是２倍，碰撞发生率是１０倍，另外下一代计算机和降湿制冷设备花费将高达２２０亿美元，这一跨越性的数字相当于LHC取代万亿伏电子加速器。如果我们在同一管道内依次修建环型轻子和质子对撞机，就能节省不少费用，还能在３０年代末期LHC停止运行后为实验粒子物理学提供出路。

图解：标准模型粒子和他们的超对称副本，有不到５０％（只差一点）这种粒子已被发现，另外那５０％多一点从未留下过它们存在的蛛丝马迹。超对称只是一个概念，它有希望改进标准模型，但目前尚未作出过关于宇宙信息的准确预测来取代现有理论。然而，新的对撞机不会被用来寻找超对称性或暗物质，只是执行常规研究任务。不管他们有什么发现，我们都会对宇宙有新的了解。（克莱尔·大卫／CERN）　

有一点绝不能忘记的是，我们不是单纯地在标准模型中持续寻找超对称性、暗物质或其他特定物质。我们有许多问题和疑惑，这说明一定有新的物理学在我们现有理解水平之上，而对科学的好奇心促使我们不断观察。在选择修建何种机器上，选择运行效率十分重要，那些一定能量下产生碰撞最多的会令我们更感兴趣。

无论他们选择哪些特定／具体的项目，都要有所权衡。直线型对撞机总会比环型对撞机达到更高的能量值，而环型对撞机会产生更多的碰撞次数以及更高的精度。

这个图表显示了标准模型的结构（主要是比更常见的基于４＊４的粒子的图片更完整地展示关键关系与模式，减少误导性）。

图解：尤其是这个图标囊括了标准模型下的所有粒子（包括它们的学名、质量、旋转、不对称性、电荷以及和标准玻色子的相互作用，即带着强力和电弱力）。它还标出了希格斯玻色子的角色，电弱对称断裂的结构，标明了希格斯期待值如何破坏电弱对称性，以及其它粒子的性质怎样因此发生改变。需要注意的是，一对Z玻色子对夸克和轻子会通过中微子通道衰变。（拉塔姆·博伊尔和马尔杜斯／维基共享）

这会成功吗？不管我们有何发现，答案都将毫无疑问，“是”。在实验物理学里，成功不仅仅是你发现了什么新事物，有些人会有这样认知误区。成功意味着“知道了什么”，在试验完成后，你知道了一些试验前不知道的东西，推进了已知领域的向前发展，我们既想要轻子对撞机，也想要质子对撞机，以达到我们可获取的最高能量和最大碰撞率。

毋庸置疑，无论哪一种对撞机都会带来新技术和增值利益，但这并不是我们做这一切的原因。我们要发掘自然最深的奥秘，用LHC都无法解决的难题。我们有技术，有人力，以及动手建造机器设备的技术，我们所需要的，是财政作为人类文明的一部分，对自然终极真相的追求。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. Ethan Siegel- ISHUCA·柳

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