現(xiàn)在,，是時(shí)候停下來考慮粒子物理學(xué)接下來應(yīng)如何發(fā)展的問題了,。

 

Nigel Lockyer呼吁在全球范圍內(nèi)協(xié)調(diào)下一代的粒子物理科研項(xiàng)目。

2013年是粒子物理學(xué)的分水嶺,。對(duì)希格斯玻色子長達(dá)幾十年的探索基本完成,。希格斯粒子預(yù)測獲得諾貝爾獎(jiǎng)所引起的熱潮尚未退去，粒子物理界對(duì)此深感滿意?，F(xiàn)在,，是時(shí)候停下來考慮粒子物理學(xué)接下來應(yīng)如何發(fā)展的問題了。

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(duì)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(huì)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。

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(duì)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(jí),，在2015年初再次啟動(dòng)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(duì)物理學(xué)的認(rèn)知,。

除此之外,，還有一些計(jì)劃會(huì)在21世紀(jì)20年代升級(jí)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(huì)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(duì)手。日本希望通過國際直線對(duì)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(jí)后的LHC將會(huì)有何發(fā)現(xiàn),。

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(duì)撞機(jī),，例如壓縮線性對(duì)撞機(jī)（歐洲建立的與ILC競爭的高能對(duì)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(duì)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(dòng),。

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(huì)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?！比ツ?，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(tái),，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(duì)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(huì)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,。

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)摗叭瞬乓M(jìn)和流失”,，更多的人在討論“人才環(huán)流”。國家和知識(shí)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(duì)主持其他項(xiàng)目的要求將會(huì)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(dòng),，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,。（張冬冬）

《中國科學(xué)報(bào)》 (2014-01-08 第3版 國際)