欧洲大型强子对撞机（LHC）发现了疑似希格斯玻色子，从而在粒子物理学研究史上留下了浓重的一笔。然而，科技的进步如白驹过隙，科学家们认为LHC行将落伍，拟计划建造其替代品――ILC、LEP3抑或CLIC，便于更精确地研究希格斯玻色子及其相互作用。
新粒子抑或更复杂有趣？
当世界各地的粒子物理学家7月5日“醒”来之时，那欢乐的场面、解脱的感觉乃至热泪盈眶的情景仍然记忆犹新――除此之外，仍有一个巨大的问题没有答案。就在前一天，欧洲核子中心（CERN）宣布，一个疑似希格斯玻色子的新粒子在大型强子对撞机(LHC）的数据中被发现。然而，就粒子物理学的前景而言，新粒子的发现是否如同有40年历史的粒子物理学标准模型所预测的那样？抑或是某个更复杂而有趣的东西，代表着一个更深奥、更完美的理论?
物理学家希望并期待，LHC在未来数年将带给他们某些答案。但对于后LHC时代――一座比LHC提供更精确测量以探究这种理论的“希格斯工厂”――他们到处呼吁并已有选项。
“我们很清楚，在标准模型之外必定存在着新的物理学理论，”帕萨迪纳加州理工学院的物理学家巴里·巴里斯(Barry Barish)说道。毫无疑义，这是由于与标准模型不相匹配的现象的存在，比如，据猜测组成宇宙物质密度达四分之一的“暗物质”的无形架构，或是粒子所具有的被称为中微子从一种味变到另一种味的“振荡”的能力。巴里斯领衔并负责设计的国际直线对撞机(ILC)，是下一台大机器的候选者之一。即使还没有人知道新物理学会涉及些什么内容，他说：“我们的战略是让有关的一切有条不紊地准备就绪。”
有关ILC及其他候选机器的成本、时间跨度和功能在今年9月10日～12日于波兰克拉科夫举行的欧洲粒子物理学专题研讨会上审议，会议并将决定欧洲未来五年在这一领域的优先事项。美国粒子物理学家也计划明年6月在科罗拉多州斯诺马斯的会议上进行类似的决定。
计划是一回事，现实情况则是另一回事。为任何新机器筹措资金，尤其是在经济低迷时期，这将是一个“令人生畏的任务”。英国牛津大学能源研究部主任、LHC立项时CERN的主管克里斯托弗·L·史密斯(Christopher L.Smith)认为，这将取决于LHC发现其他新粒子的新设施以及花在其上的费用是否得到社会的一致支持。“即使粒子物理学的情况同当年LHC的理由一样充分，而其依照保持不变的全球高能物理学预算所计算出的费用仍将是艰难的。”
LHC到底还能走多远？
克拉科夫研讨会面对的一个关键问题是，LHC团队在新粒子的特性测量方面还能走多远？抑或升级后的LHC能否产出更多的数据？
好消息是，疑似希格斯粒子的质量――被物理学家所青睐的大约125Gev能量单位――被证明处于理论学家所估计的光范围的末端。这意味着一台相对适中的对撞机能有效产生大量希格斯，并赋予新粒子各种丰富的衰减模式，便于物理学家研究其同其他标准模型粒子间的相互作用。
例如，一项需优先解决的是检验标准模型中有关希格斯与标准模型费米子是如何相互作用的预测：类似电子、μ子和夸克这样的实体具有1/2量子单位的内在角动量或“自旋”；每个粒子相互作用的概率应与其质量成正比――不仅仅是因为在标准模型中，与希格斯的相互作用是由质量所引起。
另一项需优先解决的是判定新粒子的内在自旋是否为标准模型值0。LHC的物理学家认为新粒子是一种玻色子――它的自旋为量子单位0，1，2或某个其他整数――那个整数不能为1；这两个结论均出自对粒子衰变到光子对的观察，而光子是具有自旋－1的玻色子。物理学家并没有涉及自旋大于2的玻色子的疯狂理论，LHC的CMS团队协调员艾伯特·德勒克(Albert de Roeck)说，他们现在的任务是要确定它是一个自旋－2的粒子，还是如预测的是自旋－0的“标量”玻色子。
LHC将解决自旋问题，CERN总干事罗尔夫·霍耶尔（Rolf Heuer）说。但在测试新玻色子与其他粒子的耦合――特别是希格斯粒子赋予自身质量的“自相互作用”方面，LHC到底能走多远，还不是太清楚。目前，LHC的物理学家可以说地是，新玻色子与其他粒子的相互作用与标准模型的预测其不确定性在30%～40%以内。按照德勒克所说，年底，对撞机应该能将不确定性降至20%，而在未来10年～15年相信能降到“百分之几”。
对许多物理学家而言，这也正是为什么他们需要下一代机器的理由。对标准模型真正的检验，将揭示微小偏差，便于指向通往更好模型之路，这就需要把希格斯与其他粒子的相互作用的测量不确定性控制在1%以内。在未来几年里，或许理论上的预测精度将提高0.1%。而LHC不太可能达到这样的水平――这台机器就像一把大锤，在令若干包含数百亿质子能量的束相撞的同时，最终将能量提高到每束7兆电子伏特(TeV)。尽管这有利于发现新的重粒子，但是对开展精密测量则稍嫌逊色，因为质子是由夸克和制造混乱碰撞的胶子所构成的无序的海洋。
相反，下一代机器的每一项建议都要求具有某种轻子对撞机的形式(参阅图表“希格斯之后”）。轻子，是一组包括电子、μ子和中微子的轻粒子，通过不参与产生它的夸克-胶子强相互作用而避免了杂乱状况。作为基本粒子，轻子仅通过相对较弱的电磁力和弱相互作用力进行相互作用――轻子机器与大锤相比更像是解剖刀，前者可以调整碰撞，使一个特定粒子的质量和生成粒子的喷射变得对解释而言比较清晰和简单。
在LHC隧道中建造“LEP3”？
一些物理学家辩称，一个相对便宜的选项是，在现有隧道中与LHC并排架设新加速器管道，并用它们来碰撞相向的电子和反物质电子(更恰当可称之为正电子)束。这项提议为大型电子-正电子(LEP)对撞机或命名为“LEP3”。LEP3仅用每束120GeV的能量产生希格斯玻色子――总能量为240GeV――比原始LEP的最大值209GeV高，其产出将进一步推动当前关系碰撞率或“光度”的技术进步，约500倍于LEP。
在LHC隧道中建造LEP3，LHC一些仪器，包括粒子探测器可能会重复使用，并能利用CERN现有的电力基础设施以及数据的获取，成本估计在10亿～20亿美元之间，远低于LHC的60亿美元的成本。LEP3的倡导者、日内瓦大学的阿兰·布隆代尔(Alain Blondel)指出，在隧道中安装新的轻子对撞机，不必搬走LHC。因为隧道内原本要容纳两种类型的对撞机同时运行。
高输出是希格斯工厂的优势所在。然而，LEP3不能对任何比希格斯重的东西进行研究，这或许是个问题。因为许多粒子物理学家希望，LHC最终能发现更重的新粒子，如理论学家从诸如超对称性或甚寻找额外维度的想法中所预测的那样。即使提高LEP3的能量以研究更重的粒子，但由于同步辐射造成的损失事实上不可能做到――当任何带电粒子沿弧形路径移动时会发射光子束。
这对于LHC的质子来说也许不是个大问题（质子几乎是电子的2 000倍），因为来自同步辐射的能耗在更高质量的粒子中更显著，但在LEP3中的损失将会十分严重――提高加速器能量的唯一途径是增加其半径，这就需要有一条新隧道。霍耶尔说：一些物理学家已经设想在日内瓦湖下方开挖一条新隧道，安装一台80公里直径的圆形电子-正电子机器，尽管这并非立马可实现的事。
与此同时，世界各地的物理学家一直在探索另一个替代的希格斯工厂的概念――μ子对撞机――它比LEP3要小得多，或许其圆周只有1.5公里。其设想是通过μ子束的对撞（μ子对撞机），产生质量为电子的207倍的类电子的粒子（这样一台机器的同步辐射损失可以忽略不计），并从125GeV的总碰撞能量（LEP3为240GeV）中产生数以万计的希格斯玻色子。或许它还能达到更高得多的能量，用于研究更重的粒子。
但μ子对撞机所面临的主要障碍不仅仅是μ子衰变到电子和中微子的平均寿命只有2.2微秒。在工程术语中，几乎是一瞬间，但在粒子生存期以万亿分之几纳秒计量的亚原子领域却是非常长的时间。加速器为此不得不通过以质子束撞击金属靶标而产生μ子，然后“冷却”或进入有序的束，最终加速到所需的能量。一切均发生在比一眨眼更短的时间内。
将ILC和CLIC合二为一？
这一挑战由英国牛津附近的拉瑟福德·阿普尔顿实验室的μ子离子化冷却实验装置(MICE)进行着，预计到2016年结束。MICE的冷却技术或许先进到足以让CERN用来建设一个堪称μ子对撞机的中微子工厂――它将点亮μ子中微子束穿越地层直达数千公里外的探测器。拟议中的这台探测器设在芬兰。
然而，许多物理学家持怀疑态度。“我怀疑在我的有生之年能否见到μ子对撞机工作，”牛津大学的物理学家布赖恩·福斯特(Brian Foster)说，“十多年来我们一直在试图冷却μ子，这活儿实在太难。”
福斯特是μ子对撞机的竞争对手线性电子-正电子对撞机（概念机）的欧洲区主任。后者是一台长的电子直线加速器，而撞击对象同样是长的圆筒状的正电子直线加速器，二者带着各自的射束在中间相互撞击。由于没有弯道因而消除了同步辐射损失，同时加速器能通过加长其后端而抬升能量。
高能直线对撞机的想法开始于上世纪80年代，最终汇集成两个概念：一是ILC，长约30公里，使用超导加速器技术达到0.5TeV能级，具有升级到1TeV的可能。ILC团队即将公布一份技术设计报告，其项目成本估计为67亿美元。二是由CERN支持的紧凑线性对撞机(CLIC)，近50公里长，使用新型加速技术可达到3TeV能级，其费用显然低于ILC。目前还只是一个概念性设计报告，但其更高的能级将开启发现或精密测量的新领域。
这两项设计已经过广泛的理论研究，但在实践上按MICE发言人布隆德尔所说的，这还是一个“广泛的开放问题”。他指出，加利福尼亚州门洛帕克的斯坦福线性对撞机(SLC)的性能达到了接近100GeV的能量。“SLC最终工作得很好，但它从未产生他们想要的光度。现在我们用ILC或CLIC或许可以探讨更难得多的东西。”
如果说不是对大多数，那么至少对许多粒子物理学家来说，采用某种形式的线性对撞机似乎是最佳选择。今年6月，总部设在伊利诺斯州巴达维亚费米实验室的国际未来加速器委员会，将ILC和CLIC两个方案合并成一个单一的线性对撞机项目，由LHC前董事林恩·伊万斯(Lyn Evans)负责，其目标是2015年年底提交一个单一线性对撞机方案。
伊万斯认为，一个明智的计划，是建立起一个以250GeV能量起步的直线对撞机来探测希格斯，然后分阶段提高它的能量直至达到500GeV。届时它就能产生希格斯玻色子对，并能探索希格斯对是如何对其本身以及与质量最重的粒子（顶夸克）相互作用的。他同时认为，达到更高能量在技术上是可行的，但需要消耗更多的电力――相当于一个中型发电站。在实践上，“假设在新的地点建设，我认为电力的上限最大，即可以达到提供给CERN的300兆瓦(MW)。”
撇开技术不谈，关系到数十亿美元的问题是，即由谁来主持下一台轻子对撞机。福斯特说，经验法则是由东道国在所预期的长期经济回报中承担一半的费用，但目前的经济状况并非是一个最佳时期。从政治家的角度看，尤其不适于一个对选民不产生近期利益的项目。
该是欧洲作出回报之时
如果直线对撞机方案在未来几年中被认可，伊万斯说，它可能不会建在CERN。尽管欧洲的实验室基础设施丰厚，包括忙碌不堪的LHC――2014年前它甚至无法达到每束7TeV的设计能量，预计在2022年左右提升其光度。英国科学与技术设施委员会首席执行官约翰·沃默斯利(John Womersley)认为，欧洲战略研讨会最优先考虑的是继续利用和完善LHC。
美国也不太可能为新对撞机提供场所。国际未来加速器委员会主席、费米实验室主任皮尔·奥多尼(Pier Oddone)认为，当前美国的战略是专注于“尚待开发的强度领域”，如强中微子束所产生的稀有粒子相互作用的研究，尤其是费米实验室2-TeV粒子加速器对撞机关闭后，尚待开发的能源领域逐渐从美国移至欧洲。“必须要做一些重大改变，”奥多尼说：“年初，我们的预算削减得相当严重，在满足长基线中微子实验设施――其费用为ILC的十分之一――方面还有不少问题。”此时要美国对轻子对撞机贡献太多，是“非常困难的”。
许多观察人士认为，迄今日本是这一项目的最强候选者之一――日本在上世纪90年代中期为LHC作出过重大贡献。伊万斯说：“也许现在到了欧洲回报的时候了。”2011年12月，当希格斯玻色子踪迹首次被发现后，日本首相对ILC作出过积极的回应。此外，新的加速器被日本政府列入一个更广泛的经济计划的一部分在讨论中，该计划意在2011年3月地震破坏地区建成一个包括研究实验室、工业园区和教育中心在内的“国际都市”。
今年，日本粒子物理学家在更新他们的五年路线图时，ILC依然列在新项目愿望清单的顶端。日本高能加速器研究组织（KEK）实验室总干事铃木厚人的解释是，公众建议“日本应该尽早建成电子-正电子直线对撞机，以便找到类似希格斯玻色子那样的新粒子。”
ILC从破土动工到正式运营，大约要花费十年时间，其最终是否像个赌注？福斯特认为：“这是我们等待很长时间后的最好的机会。”而沃默斯利指出：“我们不应该理所当然地认为，因为找到了希格斯就可以花钱。”他认为下一代中微子实验也很强势。奥多尼估计：“在你知道LHC能发现什么之前，你会着手进行这样一个重大项目吗？还会有比希格斯更令人陌生的东西吗？”
对于粒子物理学家来说，梦想中的场景是欧洲的LHC尚待开发的高能领域；美国的多个中微子探索实验项目；在日本，则期待由一台新的轻子对撞机确认迄今尚未在LHC中出现的新粒子的细节。在大科学的世界里，要使梦想成真始终是一个向他人推销的过程。然而，“这些事情往往会在粒子物理学领域以外解决，”奥多尼说，“或许就在某位总统和某位首相之间的一个电话搞定了。”
资料来源 Nature
责任编辑 则 鸣
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LHC行将落伍 科学家欲建LEP3
是否会在现有隧道中与LHC并排架设新加速器管道？图为坐落在在瑞士和法国交界处地下100米深处的周长为27公里的LHC环形隧道
一组由英国、俄罗斯、日本、瑞士和美国等国家科学家组成的国际团队近期在慎重评估欧洲大型强子对撞机（LHC）的实用性后，有意用一种新型对撞机来取代现有的LHC。不过，这种新型升级版本的对撞机现在已经存在，那就是大型正负电子对撞机(LEP)，其更确切的名称为“LEP3”。科学家们认为，LEP3可以更好地应用于希格斯玻色子的研究工作。
当然，著名的大型强子对撞机本来就是用来研究亚原子粒子在高速碰撞时可能发生的事件。在瑞士地面之下的隧道内，欧洲核子研究中心的两大实验项目ATLAS和CMS已经取得了重大研究进展。全球各大媒体都报道过LHC的这两项实验发现了“疑似希格斯”的新粒子，大多数科学家都认为这种粒子应该就是捉摸不定的希格斯玻色子。
如今，LHC的这些实验仍在继续，ATLAS和CMS团队希望拿出更权威的证据来证明他们所“看到”的粒子就是希格斯玻色子。然而，许多人想到了未来(可能是21世纪30年代)的新型实验设备。由于这些大型设备从计划到建造，需要数年甚至更长时间，因此科学家们现在对下一阶段工作有了新的期待。
事实上，所有人都认可LHC在未来十年左右肯定要进行升级，提高其能量和发光度。然而，接下来则要看科学家们如何使用LHC以及使用的效果如何。可以肯定的是，LHC将更多地用于研究希格斯玻色子。但是，如果新的实验设备(如LEP3)也可以发现更多的粒子，如超对称粒子，那么只用于研究希格斯玻色子的项目则显得毫无优势可言。这就是为什么有人提出了国际线性对撞机(ILC)和“紧凑线性对撞机(CLIC)，不过这两项计划代价更高。
LHC与“LEP3”的主要差异之一在于碰撞粒子的类型。前者是利用质子与质子的对撞，而后者则是电子与正电子的对撞。“LEP3”采用两个加速环，而LHC只采用一个。有科学家声称，如果利用现有的基础设施，“LEP3”最快将可能于10年内建成。如果有必要，甚至可以在一段时期内与LHC并存。
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