希格斯玻色子是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的最后一塊拼圖，不過該模型并不能解釋宇宙的一些基本方面。從中微子極小的質(zhì)量到暗物質(zhì)和暗能量，該領(lǐng)域還有更多的東西有待發(fā)現(xiàn)。不過下一個(gè)線索潛伏在哪里呢？

 

　　這并不能確定。人們所知道的只是下一代的粒子加速器將是昂貴的，在全球的科研財(cái)政約束下，對政府支持的資金要求卻在上漲。Nigel Lockyer即將成為美國伊利諾伊州巴達(dá)維亞市費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)的主任，過去6個(gè)月里他一直在討論美國粒子物理的未來。Lockyer認(rèn)為，粒子物理是一個(gè)全球探索的領(lǐng)域，很多國家的項(xiàng)目和參與者都致力于此，美國在中微子物理學(xué)等領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，但全世界的整體情況并不清晰。相關(guān)資源需要合并，新的競爭者正在出現(xiàn)。中國和印度的人才、基礎(chǔ)設(shè)施和目標(biāo)必須考慮到全局形勢中。

 

　　而每個(gè)國家和主要項(xiàng)目都必須考慮其影響。Lockyer表示，機(jī)會是巨大的：可以以此加快進(jìn)度并結(jié)合不同優(yōu)勢；但是所面臨的風(fēng)險(xiǎn)也同樣大：也許在重大項(xiàng)目中不能達(dá)成協(xié)議，失去國際合作伙伴等。

 

　　希格斯以外的領(lǐng)域

 

　　瑞士日內(nèi)瓦附近歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室里的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）是目前世界上最高能的加速器。經(jīng)過兩年的升級，在2015年初再次啟動時(shí)，該機(jī)器將在接近其設(shè)計(jì)能量14TeV（萬億電子伏）的水平上運(yùn)行，大約是發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的能量水平的兩倍。既然標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)完整，那么任何新粒子的發(fā)現(xiàn)都將徹底改變科學(xué)家對物理學(xué)的認(rèn)知。

 

　　除此之外，還有一些計(jì)劃會在21世紀(jì)20年代升級LHC，以提供更高能的電子束和更高效的探測器。

 

　　其他尖端科學(xué)也有望實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的發(fā)展。科學(xué)家尚不理解中微子如何相互作用，其質(zhì)量的起源或其在早期宇宙中的作用。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室正在提議建立一個(gè)長途的中微子束實(shí)驗(yàn)，從費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室延伸1300千米到達(dá)南達(dá)科他州霍姆斯塔克市。另外，還會在地表以下1500米處設(shè)置3.5萬噸的液氬探測器。該實(shí)驗(yàn)的總建設(shè)預(yù)算近10億美元，這要求其尋求國際合作者。能源部科學(xué)辦公室已經(jīng)表示，如果有歐洲和亞洲的研究團(tuán)隊(duì)參與其中，它將支持該提議。

 

　　而日本是該實(shí)驗(yàn)最強(qiáng)勁的競爭對手。日本希望通過國際直線對撞機(jī)（ILC）研究希格斯玻色子，并計(jì)劃于21世紀(jì)20年代末在精度方面超越LHC。大多數(shù)粒子物理學(xué)家支持ILC，不過很多人還是首先想看一下升級后的LHC將會有何發(fā)現(xiàn)。

 

　　傳遞接力棒

 

　　科學(xué)家并不確定下一個(gè)蘊(yùn)藏重大發(fā)現(xiàn)的能量范圍是什么，許多物理學(xué)家相信，應(yīng)該盡量將目標(biāo)定得高一些。甚至一些人認(rèn)為應(yīng)該建立更高能的輕子對撞機(jī)，例如壓縮線性對撞機(jī)（歐洲建立的與ILC競爭的高能對撞機(jī)）等。歐洲正在組建團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)100TeV質(zhì)子—質(zhì)子對撞機(jī)，它有周長100公里的隧道，有望于21世紀(jì)30年代啟動。

 

　　美國在20世紀(jì)90年代未能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)超大型加速器運(yùn)行，以及在2011年關(guān)閉費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬億電子伏加速器后，仍有野心主持一個(gè)高能尖端機(jī)器的項(xiàng)目。也許高能領(lǐng)域的接力棒會傳回美國，畢竟費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室仍然是質(zhì)子加速器領(lǐng)域的世界領(lǐng)袖。

 

　　Lockyer說：“中國的角色變化也為此更添懸念。”去年，中國從粒子物理學(xué)歷史上的一個(gè)小角色，逐漸走上了世界舞臺，它在中微子物理學(xué)上取得了令人印象深刻的成果，其中包括發(fā)現(xiàn)3種中微子中的2種混合在一起的程度比預(yù)想的更高。這種大程度的混合意味著中微子和反中微子之間基本對稱的差異也許在長基線實(shí)驗(yàn)中是可觀測到的，這告訴了人們關(guān)于早期宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不平衡。若進(jìn)行更大膽的設(shè)想，中國有沒有可能會通過建立100TeV的設(shè)備從而領(lǐng)先世界呢？在中國建造設(shè)備的花費(fèi)更少，盡管它需要世界其他國家的幫助進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造。

 

　　Lockyer認(rèn)為，如果中國確實(shí)能夠領(lǐng)先，那它將改變科學(xué)版圖的面貌。關(guān)于全球粒子物理學(xué)進(jìn)展的討論需要中國、印度、北美、歐洲和日本國家首腦的參與。

 

　　世界對話

 

　　Lockyer指出，物理學(xué)家并不在乎在哪里作研究。但是粒子物理項(xiàng)目的大規(guī)模意味著所有新的巨型加速器需要全球的計(jì)劃、協(xié)議與參與建造。各國政府將不得不在其他國家作出前所未有的金融投資，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的將納稅人的錢主要放在國內(nèi)獲得直接短期效益的模式。

 

　　各國政府將試圖明確哪種模式最符合其國家利益。而少有人還在談?wù)?ldquo;人才引進(jìn)和流失”，更多的人在討論“人才環(huán)流”。國家和知識團(tuán)體通過參與到全球?qū)υ捴袑?shí)現(xiàn)各自的發(fā)展，而不再強(qiáng)求擁有最多的人才。

 

　　科學(xué)界必須確保主要區(qū)域?qū)嶒?yàn)室的健康運(yùn)行，例如費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室、日本筑波的高能加速器研究組織（KEK）等，目前大型粒子物理項(xiàng)目僅在這些地方可行。中國等新興經(jīng)濟(jì)體對主持其他項(xiàng)目的要求將會挑戰(zhàn)現(xiàn)在處于領(lǐng)先地位的國家的長期計(jì)劃。美國和歐洲的科學(xué)家將不得不了解如何最好地利用國際競爭以刺激自身的項(xiàng)目推動，并同時(shí)保持良好的國際合作關(guān)系。

 

　　總之，粒子物理學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)者需要在定義和維護(hù)全球計(jì)劃上發(fā)出更大的聲音，并且表現(xiàn)得更加積極。畢竟，“國際粒子物理設(shè)施有助于讓人類了解宇宙是如何工作的。”Lockyer說。