中新网12月25日消息，据国外媒体报道，早在2008年，世界上最强大的粒子加速器3354大型强子对撞机(LHC)——注入了第一束质子束。十年后的今天，或许我们应该好好评价一下这个庞大的设施所取得的成就，以及未来的发展方向。

对LHC的评估包括未来可能的研究和可能建设新的实验设施，在这些设施中，粒子碰撞可以达到比LHC高得多的能量。目前可能已经有两三个可能的替代LHC的方案。然后，我们来盘点一下过去十年的成绩，以及未来的目标。

LHC的故事激动人心，一波三折。在操作的最初几天，这台仪器的巨大磁铁遭到了灾难性的损坏；后来，它从这场悲剧中获得了一些令人兴奋和信服的发现，包括希格斯玻色子的发现。英国理论物理学家彼得希格斯和比利时物理学家弗朗索瓦恩格勒因这一发现获得了诺贝尔奖。他们在半个多世纪前就预言了这种粒子的存在。全世界的新闻媒体都要报道粒子物理的新闻，这是不可思议的，但希格斯玻色子的发现做到了。

寻找新的物理学

物理学家们同样紧张又兴奋，等待着他们希望得到的意外发现。近半个世纪以来，科学家对亚原子物质有了当前主流的理论认识。这种理解被称为粒子物理的标准模型。

这个模型解释了物理学家观察到的常规物质分子和原子——的行为，甚至是迄今为止观察到的最小的已知积木——。这些粒子被称为夸克和轻子，其中夸克存在于质子和中子内部，质子和中子构成原子核；电子是最常见的轻子。该模型还解释了除重力之外的所有已知力的行为。这是一项了不起的科学成就。

然而，标准模型不能解释理论物理中的一切。它无法解释为什么夸克和轻子似乎存在于三个不同但几乎相同的类别中。这种分类叫做“代”。为什么是三代，而不是二四代，或者二十代？标准模型无法解释为什么我们的宇宙完全由物质构成。对爱因斯坦相对论最简单的理解已经指出，宇宙应该包含等量的反物质。

标准模型无法解释为什么对宇宙的研究表明，由原子构成的常规物质只占宇宙物质和能量的5%，其余被认为是由暗物质和暗能量构成的。暗物质是一种只受引力影响而不受其他基本相互作用影响的物质形式，而暗能量是一种充满宇宙的排斥引力形式。

在LHC第一次运行之前，一些物理学家希望原子轰击可以帮助回答这些令人困惑的问题。解决这些问题最常引用的理论是超对称。该理论指出，所有已知的亚原子粒子都有相应的“超对称”粒子。反过来，这些粒子可以为暗物质和其他谜题提供解释。然而，物理学家并没有发现任何超对称性的证据。更重要的是，LHC的数据排除了包含超对称性的最简单的理论。那么，LHC取得了什么成就呢？

硕果累累的LHC

除了希格斯玻色子，LHC还为四个大型实验合作项目提供了大量数据，产生了2000多篇科学论文。在LHC内部，粒子相互碰撞的能量是费米实验室兆电子伏特加速器(Tevatron，也称为正负质子对撞机)的6.5倍。在此之前，兆电子伏特加速器是世界上能量最高的粒子对撞机，25年后，LHC终于取代了它的位置。

这对标准模型的检验具有重要意义。任何测量结果都可能与预测不一致，从而可能导致新的发现。然而，实验结果表明，标准模型是一个非常好的理论，它可以准确地预测LHC的碰撞能量，就像以前对兆电子伏加速器的预测一样。

那么，这是个问题吗？说真的，答案是否定的，毕竟科学家更容易实验和拒绝错误的新观点，而确认正确的观点也同样重要。

另一方面，不可否认的是，科学家在发现之前没有预料到的新现象时，会更加兴奋。这样的发现促进了人类知识的发展，甚至可能最终改写教科书。

故事还没有结束。

那么，现在是什么情况呢？LHC告诉我们整个故事了吗？你不能这么说。事实上，研究人员期待着设备的改进，这将有助于他们研究目前技术无法解决的问题。LHC于2018年12月初关闭，将在未来两年内进行翻新和升级。2021年春天，当这台加速器恢复运行时，虽然能量只是略有增加，但每秒钟的撞击次数将增加一倍。考虑到未来计划的升级，LHC科学家目前只记录了预期数据的3%。虽然筛选所有的测试结果需要很多年，但目前的计划是记录比目前记录的多30倍的数据。如此大量的数据陆续出现，LHC还有很多故事要讲。

尽管LHC可能会再竞选20年，但人们有理由问，“下一步是什么？”粒子物理学家正在考虑建造一个后续的粒子加速器来取代LHC。作为LHC的延续，一种可能是让质子碰撞出——100TeV的不可思议的能量，这远远高于LHC最高设计的14TeV——。然而，要获得如此惊人的能量，需要做两件事：首先，我们需要建造一个更大强度的磁体，其强度是LHC用来推动粒子的磁体的两倍。这很有挑战性，但应该是可能的；其次，我们需要再建一条隧道，类似于LHC的隧道，但隧道要大3倍以上，其圆形隧道周长近100公里，约为LHC隧道的4倍。

但是这条巨大的隧道会建在哪里，会是什么样子？哪些粒子束会以什么能量碰撞？这些都是好问题。目前，设计和决策过程无法给出答案，但有两个非常大的成就很高的物理学家群体正在思考这些问题，他们各自提出了新加速器的想法。欧洲研究小组提出的计划之一是建造另一个大型加速器，该加速器很可能位于日内瓦郊外的CERN实验室。

研究人员的一个想法是，这种新的加速器将使一束电子与反物质电子发生碰撞。由于质子束和电子束在加速度上的差异，——电子束在圆形结构中会比质子束损失更多的能量。——这种电子束将使用约98公里的隧道，但能量比使用质子束时低。另一个建议是使用同样的98公里隧道来碰撞质子束。一个折中的建议是重新激活当前LHC的隧道，但是使用一个更强大的磁铁。虽然这种选择只能使LHC目前能够达到的碰撞能量增加一倍，但它是一种低成本的替代方案。

另一个主要由中国科学家倡导的计划是建立一个全新的设施，可能在中国。这台加速器的隧道周长也将在98公里左右，它将与反物质电子发生碰撞，到2040年将转化为质子-质子碰撞。

目前，这两个潜在的方案仍处于讨论阶段。最终，提出这些计划的科学家必须找到愿意为他们提供财政支持的政府或团体。在此之前，科学家需要确定建造新设施所需的能力和技术。两组物理学家最近都发表了大量详细的书面材料来解释他们的设计。这些还不足以实现他们的想法，但足以比较未来预期的实验结果，并可以开始整合可靠的成本预测。

研究前沿知识是一项艰巨的任务，从建造如此大规模设施的梦想到设施的最终关闭可能需要几十年的时间。在我们纪念第一颗LHC粒子撞击地球十周年之际，有必要回顾成就并展望未来。随着技术的发展，下一代科学家将拥有更多的数据来做出更令人兴奋的发现，我们将揭开更多迷人的自然之谜。