中、日、欧展开对撞机竞争，美国瞄准中微子——谁会率先发现新物理？

令人捉摸不透的宇宙奥秘，令人雾里看花的粒子物理学。在这前景不定的大背景下，各国实验室竞相建造更大规模的对撞机，希望借此做出下一个重大发现。

来源 Nature

撰文 Elizabeth Gibney

编译 许伟凡

审校 寒冬

大型强子对撞机是否会发现标准模型之外的现象仍有待考察。

图片来源：Harold Cunningham/Getty

2012年，科学家通过全球最大的粒子加速器——大型强子对撞机（LHC）探测到了希格斯玻色子（Higgs boson）。这无疑是粒子物理的一次胜利。很多国家都渴望能从中分得一杯羹。日本科学家更是极力争取建造下一代粒子加速器。该机器将基于 LHC 的成功而建造，并详细测量希格斯玻色子和其他已知或即将被发现的粒子的特性。

2016年8月8日，国际高能物理大会（ICHEP）在美国芝加哥召开。然而，会议表明，粒子物理学的前景充满了不确定。这很大程度上取决于 LHC 能否揭示超越标准模型的现象（物理学家一直对此寄予厚望，但尚未有结果），以及中国建造下一代对撞机的计划能否向前推进。

当日本科学家提议由该国建造国际直线对撞机（ILC）时，一组国际科学家就已拟定了相关设计。按规划，ILC 将使正负电子沿着31千米长的轨道进行对撞。相比之下，LHC 的轨道只有27千米长，而且是让质子在欧洲核子研究中心（CERN）的一个环形轨道中进行对撞。

由于质子是由夸克组成的复合粒子，对撞后会产生大量碎片。而 ILC 选用的电子是基本粒子，能提供更加干净且更适于精确测量的对撞。由此，ILC 或许会揭示出一些偏离预期行为的现象，从而指向标准模型之外的物理学。

希格斯粒子的研究

对于物理学家而言，能有机会详细研究希格斯玻色子和最重粒子顶夸克便足够成为建造 ILC 的理由了。2016年，日本文部科学省会就是否在国内开展该项目作出表态。倘若批准通过，实验将于2030年启动。不过，为文部科学省提供顾问服务的日本专家小组去年却表示，研究希格斯玻色子和顶夸克的机会本身不构成建造 ILC 的充足理由，日本将等到2018年 LHC 首次最大能量运行后再作决定。

日本高能加速器研究机构（KEK，位于日本筑波）的总干事 Masanori Yamauchi 表示，专家小组认为应该根据 LHC 的发现来决定是否建造 ILC。Yamauchi 作为ICHEP 的专家组成员，曾参加了一场关于未来设施的研讨会。他说：“这就是他们的言外之意。”

倘若 LHC 发现了新现象，这将为 ILC 的研究增添更多的“素材”，并且会增强建造高精度仪器的必要性。

美国物理学家很早就开始支持建造直线对撞机。Yamauchi 介绍说，一个由日本文部科学省和美国能源部组成的联合小组正在讨论如何降低 ILC 的开支。他还补充道，目前 ILC 的开支预计为100亿美元，联合小组认为开支还可以减少约15%，但即便如此，日本在正式同意建造 ILC 之前，仍需要来自其他国家的资助承诺。

来自中国的竞争者

紧跟在日本之后的便是中国团队。在发现希格斯玻色子的几个月后，由中科院高能物理研究所所长王贻芳领导的团队就提出计划，要在本世纪30年代建成对撞机。该计划也将受到国际社会的部分资助，其主要目标是精确测量希格斯玻色子和其他粒子。

中国计划中的对撞机将是环形而非直线。它是一个长达50~100千米的正负电子击碎器，其能量低于 ILC。但它需要建立一条可以进行质子-质子对撞的通道，同 LHC 类似，但要大得多，且建造成本大大降低。

王贻芳在 ICHEP 上说，他和团队今年已从中国科技部获得约3500万人民币（折合美元为500万）的基金支持，以继续研发该项目。虽然中国国家发展和改革委员会曾驳回了一项8亿人民币的资金申请，但是其他筹资渠道依旧保持开放。目前，该团队正计划着力提高国际社会对这一项目的兴趣。

Yamauchi 谈道，鉴于粒子物理学在全球范围内的火热，中国团队的这一计划也将加强日本建造 ILC 的决心，不过一旦中国的项目开工，势必会导致资助ILC的国际资金大量流失，对日本的 ILC 计划“也许会有负面影响”。

超级 LHC

CERN 有意建造周长为100千米的环形对撞机，其击碎质子时所耗费的能量将是 LHC 的七倍多。未来利用中国正负电子对撞机作为大型质子-质子对撞机基石的选择势必会影响到CERN的这项计划。直到本世纪30年代中期，CERN 都将忙于提高LHC的质子束密度而非增强能量。届时，中国或许已经建造好了适合质子-质子对撞的通道，从而使CERN更难获得针对“超级LHC”的资助。

在 ICHEP 上，CERN 的总干事 Fabiola Gianotti 提出了一个过渡想法：到2035年左右，将新一代的超导磁体安装在LHC上，使其能量超出现有水平。Gianotti 表示，这将较为温和地提升LHC的能量——从14兆兆电子伏（TeV）增加到20TeV。如果LHC在14TeV发现新物理现象，那么这将是强有力的科学证据。与此同时，其50亿美元的开支将由CERN常规预算之外的经费支付。

在过去的几十年间，标准模型预测的粒子一个接一个地被发现。然而，LHC及其“继任者”却无法保证一定会发现新物理。ICHEP 的参会者提出了一些令人深思的问题，包括帮助年轻的高能物理学家重拾对该领域的信心，以及重新考虑资金的投入方向：一味地建造更大的加速器不如将资金转投其他方面，或许效果更佳。

实际上，美国正在中微子研究而非对撞机上下赌注。中微子或许可以揭示标准模型之外的秘密。位于美国伊利诺斯州巴达维亚的费米国家加速器实验室（Fermilab）计划花费10亿美元来建造长基线中微子设施，并就此成为世界中微子研究的领导者。倘若进展顺利，该设施将于2026年向不同的探测器发射中微子束。相关资金要等到2017年由美国国会审批通过。不过，Fermilab 的主任 Nigel Lockyer 对此表示充满信心。他在 ICHEP 上说道，“路虽远我们却已启程，事再难我们亦不回头。”

原文链接：

http://www.nature.com/news/china-japan-cern-who-will-host-the-next-lhc-1.20453

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