高能物理的未来

如果没有紧密的国际合作，粒子物理的未来是不可想象的

——列夫·奥肯（粒子物理的未来专题研讨会，2003年）

应该走向何处呢？在超过75年的惊人发展之后，现在高能物理的未来完全不确定了。这将很大程度依赖于在大强子对撞机上会发现什么。

在最令人失望的情况下，如果在LHC上没有发现新的东西，那么物理学界将不得不重新考虑它的未来发展。那么将对撞机的能量提升到更高水平以探测质量更大的粒子是否值得？在一个预算紧缩的年代，各国政府会被说服去为建造新的超级强大机器进行巨量资金投入，只是为了一个可能是虚幻的研究吗？如果LHC最后什么也没发现，为更大的装置募集到政治支持将是不太可能的。马丁努斯·韦尔特曼在提到希格斯粒子存在，但在LHC上没有被发现的可能性时说：“这可能将是粒子物理的结束。”

然而，没有理由期望会有这样一个暗淡的结局。假设LHC真的发现了新粒子，比如说希格斯粒子或超对称伙伴粒子，预示了暗物质的可能来源，为探索新维度打开了大门，或者发现了完全没有意料到的什么东西，那么理论家们将可以通过分析数据来决定这些结果支持哪些模型。然后他们将评估填补任一空白所需的新信息将会是什么。

理想情况下，LHC上的新发现将有助于判断标准模型在很宽范围的能量层次上以什么程度的精度描述了大自然。它也可能将最单纯版本的标准模型排除出去，以支持超对称理论或者其他的候选理论。将理论确定到最可能的情况下，的确将会是一个快乐的结局。但是，如果用以往的经验来判断，考虑到理论家们的创造性，那么很可能会出现比以往任何时候更多的候选理论。那时候该怎么办呢？

由于超导超级对撞机的下马，美国实验室在欧洲核子研究中心不能发挥作用的地方找到出路的希望极其微小。美国高能物理除了为欧洲和国际项目作贡献之外，其他方面一般来说毫无作为。没有新的加速器实验室处于计划之中，而现存的那些正在为解决严重的资金消减问题而犯愁。

费米实验室以借款为生已经超过了20年。当超导超级对撞机在得克萨斯建造的决定下来的时候，巴达维亚的研究人员们兴奋极了，甚至在坐上去之前就为他们所热爱的粒子旋转木马的最后的旋转做好了准备。1993年超导超级对撞机下马，1995年顶夸克在万亿电子伏加速器上发现，这表明了后者对粒子物理为什么这么重要。取代永久关闭这台机器的方式是为全面的升级而临时关闭。

从1996年到2000年，投入了两亿六千万美元渴望将万亿电子伏加速器完全改变成一个更强大的对撞机。在这些手术完成之后，称为二次运行的第二系列的实验开始了，研究人员对翻新的结果进行了实验。二次运行产生了许多显著的成绩，包括对顶夸克质量的增强测量，降低了希格斯粒子质量的下限，并对包含底夸克的强子进行了实验。当然，在2000年代早期其碰撞率并不像期望的那么高。费米实验室的领导层认识到，想要在LHC开始工作之前将找到重要发现的可能性最大化，他们必须使机器运行得更加有效。

幸运的是，在经过2004年的冬季到2005年以及2006年春天的预定停机升级的这些进一步努力之后，万亿电子伏加速器的亮度被增强至创纪录水平。为了实现这个非同寻常的壮举，机械专家们将再利用反质子存储环（一种积累反质子的方法），更有效地将之整合进万亿电子伏加速器的工作之中，并利用电子冷却的方法来加强反质子束。这多赋予了万亿电子伏加速器几年生命。

然而一旦LHC全面运行了，保留万亿电子伏加速器的动力将大大地减弱。由于有着2TeV的最高能量，万亿电子伏上产生出来的东西不太可能不会被LHC首先发现。显著增加万亿电子伏加速器能量的唯一方法是建造一个新的环，但这是不可能的。此外，相对于LHC这样的质子—质子对撞机来说，万亿电子伏加速器使用了反质子，这妨害了其亮度。反质子比质子更难产生，这是由于后者可以从普通氢气中很容易地大量生产。简而言之，在由于产生粒子事件的时间远比期望的要长，万亿电子伏加速器很可能已经处于退休的边缘了。博士后研究员亚当·尤科维奇开玩笑地评论说，万亿电子伏加速器已经“运行了这么久，精力快用光了”。

由于美国实验室不确定的未来，计划进入高能物理领域的美国年轻研究人员们最好的希望就是在欧洲度过更多的时光，或者选择远程进行所有的研究工作。这两种选择都有着潜在弊端。不断地来往欧洲对于家庭来说有着难处，而且如果助学金没有着落的话，这对于钱包也有着困难。为保险起见，想去日内瓦的研究人员会希望最好找国际外交官、银行家、奶酪主厨等有钱人做伙伴或朋友。

另外一个选择就是远程进行所有的研究，它也有冒险的地方。如果是在欧洲核子研究中心受训的研究人员，遇到了硬件安装或修理的事情，他们可以从中获得关于装备的宝贵知识。但对于那些在远程研究机构完成主要教育的人员来说，他们永远没有这个机会。假设一个研究生从来没有硬件的经验，只是专门从事计算机分析。他或她成为一个博士后研究员后继续集中精力在完善软件包上，然后就到了申请教授职务的时候，一所大学会愿意冒险雇用一个对热量计校正或连接电子器件一无所知的实验人员吗？

高能物理领域仅仅集中于几个实验室，不久后或许只剩下一个。这与更大更复杂的探测器的兴起一同大大降低了直接体验这一领域实体方面的可能性。坐在停在隧道附近的拖车里等候泄密信号的日子就要结束了，这种工作方式是20世纪最后几十年的实验工作的一个特征。除了那些足够幸运在建造和升级探测器时就出现的信号，高能物理在很大程度上已经成为了一个无需直接插手的行业。由于现在物理测量是在位于地下几百英尺的超冷室里进行的，那里的辐射照射是极其危险的，因此这样的发展是合乎逻辑的。然而在日内瓦或者其他地方坐在计算机显示器前，运行统计软件对于吸引下一代高能物理学家是否足够刺激呢？

在21世纪第一个十年里，当LHC完成了计划中的升级，成为了被称为超级大强子对撞机的东西的时候，需要亲自动手的专门技术将再次成为关键的东西。这一升级的主要目的是提高机器的亮度，将有效碰撞率提升到更高。当对撞机为了升级而关闭的时候，探测器也会被拆掉。经历多年的辐射伤害而烧毁的电子器件将被替换掉，其他的装备也会升级以改善探测器的表现。

除了超级大强子对撞机之外，粒子物理的下一个大希望是一个称为国际直线对撞机（ILC）的令人兴奋的新项目。像它的名字表示的那样，它是第一个由国际社会，而不是由美国或欧洲规划和投资的对撞机。超导超级对撞机（SSC）本来应该是国际性的，但从来没有完全定下来。欧洲核子研究中心接受了欧盟之外的资金专门用于支持探测器项目（ATLAS，CMS等等），但并不是用来支持机器本身的。因而如果ILC成功了，它就会成为全球性科学事业的一个里程碑。

计划中的ILC将是两个面对面的直线加速器，一个用来加速电子，另一个加速正电子。将它设置成直线型的原因是避免由于同步辐射带来的能量损失，这是进行轨道转动的高速电子和正电子的主要问题，而那些沿直线运动的电子和正电子则没有这个问题。为了把这些粒子束加速到接近光速，超过八千个超导射频铌腔会提供一连串的3 000万伏的能量提升，每个射频腔都超过3英尺长。总而言之，这些射频腔将把电子和正电子提升到250GeV。因而当它们对撞的时候，将会达到500GeV的能量，其中一些会变成大质量粒子。放在对撞点的探测器将跟踪产生出来的感兴趣的任何衰变产物。

电子—正电子对撞相对来说比较干净，因而作为精确的质量测量是理想的。相应地，尽管ILC比LHC的能量小得多，但是它的用途是确定更高能量的装置中发现的任何粒子的质量。例如，如果LHC产生了暗物质的可能成分，ILC将会确定它的质量，从而告诉天文学家宇宙里是什么样的东西会组成这种成分。知道了宇宙的密度将会为其最终命运提供线索。因此ILC将作为宝贵的高精度测量装置——超重粒子世界的一杆电子秤。

到目前为止，ILC仍然处于其早期的规划阶段。建造地点也没有选好，俄罗斯等国家提出了申请。以前领导了GEM（γ粒子，电子和μ子）项目和激光干涉引力波天文台的巴里·巴里斯协调了资金的募集和项目的设计。许多国家对ILC的初步反应热烈，但之后他就失望了，因为一些国家开始收回了先前的承诺。

美国国会最初对ILC研究和发展的支持在6 000万美元的水平，2007年突然将其降低到1 500万美元。尽管资金本来应该维持到2008年，但到那一年的10月，ILC已经花费了大量配额。在12月的新闻发布会上，巴里斯说，“ILC的结局是悲惨的。”

许多欧洲人感到沮丧，美国对科研项目的支持是靠不住的。“在美国，任何事情都是逐年批准的。”物理学家维尼提欧斯·泡利·克罗纳克斯说，“没人会把美国视为可信的合作伙伴。”在对英国的科研资金多年的信赖之后，它也变得摇摆不定了。2007年12月，英国科学与技术设施理事会（STFC）发表了一份让ILC感到沮丧的新闻。“我们将停止对国际直线对撞机的投资，”这份报告说：“我们没有看到实现这一设备的可行道路可以作为当前设想的合理时间表。”

回想起来，或许英国核科学家作为“世界冠军”的年代是更快乐的年代，出身于吉他手的天文学家布莱恩·梅曾这样谴责这一资金消减。在庆祝他成为利物浦约翰摩尔大学名誉校长的庆典中他说：“我认为这是犯了一个大错，在科学方面我们正在国际社会中把我们的未来置于危险之中……我们需要像我们曾经做过的那样支持这个伟大的科学国。”

由于美国和英国的决定，ILC绝不可能成为一件确定的事情。ILC的成功很大程度上要依赖于富裕国家恢复对纯科学的承诺。考虑到全球经济危机，资助基础研究变得更加困难。或许LHC做出的发现将为更强劲地支持新的对撞机计划带来足够多的兴趣。如果ILC为了避免与ISABELLE和SSC遭遇相同的命运，其支持者需要作出更多有意见的发现，其中大质量粒子的精确测量会是对物理学的未来至关重要的。

尽管有很多考虑，但并没有具体的计划来建造比LHC更高能的对撞机。可以想象的是，欧洲核子研究中心的机器（指LHC）将决定加速器这条道路的命运。由于缺乏新的加速器数据，物理学家将失去验证基本相互作用力和基本物质方面的基本假设的重要手段。对极早期宇宙的天文学测量，将成为确定场论的主要手段，这主要借助于威尔金森微波各向异性探测器的后继者，通过对微波背景做详细的探测来实现。也许统一所有自然界中相互作用力的最终秘密将会以这种方式被发现。

在对撞机成为过去的那天之前，让我们庆祝粒子物理学的辉煌成就，并祝愿LHC有一个漫长而富足的生命。我们介绍了先驱卢瑟福、劳伦斯、威尔逊、鲁比亚，以及揭示秩序和隐藏的亚原子王国之美的那些人的非凡贡献。希望LHC能打开新的宝库，发出更灿烂的光辉，就像谢里曼对特洛伊的发掘，每次对它更深层的挖掘都被证明是闪烁着光辉的发现。