科學家呼籲全球合作迎接粒子物理學新挑戰

孤寂如雲

Nigel Lockyer呼籲在全球範圍內協調下一代的粒子物理科研項目（圖片來源：SCOTT GARRETT）

2013年是粒子物理學的分水嶺。對希格斯玻色子長達幾十年的探索基本完成。希格斯粒子預測獲得諾貝爾獎所引起的熱潮尚未退去，粒子物理界對此深感滿意。現在，是時候停下來考慮粒子物理學接下來應如何發展的問題了。

希格斯玻色子是粒子物理學標準模型中的最後一塊拼圖，不過該模型並不能解釋宇宙的一些基本方面。從中微子極小的質量到暗物質和暗能量，該領域還有更多的東西有待發現。不過下一個線索潛伏在哪裏呢？

這並不能確定。人們所知道的只是下一代的粒子加速器將是昂貴的，在全球的科研財政約束下，對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維亞市費米國家加速器實驗的主任，過去6個月裏他一直在討論美國粒子物理的未來。Lockyer認為，粒子物理是一個全球探索的領域，很多國家的項目和參與者都致力於此，美國在中微子物理學等領域處於領先地位，但全世界的整體情況並不清晰。相關資源需要合並，新的競爭者正在出現。中國和印度的人才、基礎設施和目標必須考慮到全局形勢中。

而每個國家和主要項目都必須考慮其影響。Lockyer表示，機會是巨大的：可以以此加快進度並結合不同優勢；但是所面臨的風險也同樣大：也許在重大項目中不能達成協議，失去國際合作夥伴等。


希格斯以外的領域

瑞士日內瓦附近歐洲粒子物理實驗室裏的大型強子對撞機（LHC）是目前世界上最高能的加速器。經過兩年的升級，在2015年初再次啟動時，該機器將在接近其設計能量14TeV（萬億電子伏特）的水平上運行，大約是發現希格斯粒子的能量水平的兩倍。既然標準模型已經完整，那麼任何新粒子的發現都將徹底改變科學家對物理學的認知。

除此之外，還有一些計劃會在21世紀20年代升級LHC，以提供更高能的電子束和更高效的探測器。

其他尖端科學也有望實現進一步的發展。科學家尚不理解中微子如何相互作用，其質量的起源或其在早期宇宙中的作用。費米實驗室正在提議建立一個長途的中微子束實驗，從費米實驗室延伸1300千米到達南達科他州霍姆斯塔克市。另外，還會在地表以下1500米處設置3.5萬噸的液氬探測器。該實驗的總建設預算近10億美元，這要求其尋求國際合作者。能源部科學辦公室已經表示，如果有歐洲和亞洲的研究團隊參與其中，它將支持該提議。

而日本是該實驗最強勁的競爭對手。日本希望通過國際直線對撞機（ILC）研究希格斯玻色子，並計劃於21世紀20年代末在精度方面超越LHC。大多數粒子物理學家支持ILC，不過很多人還是首先想看一下升級後的LHC將會有何發現。


傳遞接力棒

科學家並不確定下一個蘊藏重大發現的能量範圍是什麼，許多物理學家相信，應該盡量將目標定得高一些。甚至一些人認為應該建立更高能的輕子對撞機，例如壓縮線性對撞機（歐洲建立的與ILC競爭的高能對撞機）等。歐洲正在組建團隊設計一個100TeV質子—質子對撞機，它有周長100公里的隧道，有望於21世紀30年代啟動。

美國在20世紀90年代未能實現超導超大型加速器運行，以及在2011年關閉費米實驗室的萬億電子伏加速器後，仍有野心主持一個高能尖端機器的項目。也許高能領域的接力棒會傳回美國，畢竟費米實驗室仍然是質子加速器領域的世界領袖。

Lockyer說：“中國的角色變化也為此更添懸念。”去年，中國從粒子物理學歷史上的一個小角色，逐漸走上了世界舞台，它在中微子物理學上取得了令人印象深刻的成果，其中包括發現3種中微子中的2種混合在一起的程度比預想的更高。這種大程度的混合意味著中微子和反中微子之間基本對稱的差異也許在長基線實驗中是可觀測到的，這告訴了人們關於早期宇宙中物質與反物質的不平衡。若進行更大膽的設想，中國有沒有可能會通過建立100TeV的設備從而領先世界呢？在中國建造設備的花費更少，盡管它需要世界其他國家的幫助進行設計和建造。

Lockyer認為，如果中國確實能夠領先，那它將改變科學版圖的面貌。關於全球粒子物理學進展的討論需要中國、印度、北美、歐洲和日本國家首腦的參與。

世界對話

Lockyer指出，物理學家並不在乎在哪裏作研究。但是粒子物理項目的大規模意味著所有新的巨型加速器需要全球的計劃、協議與參與建造。各國政府將不得不在其他國家作出前所未有的金融投資，挑戰傳統的將納稅人的錢主要放在國內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。而少有人還在談論“人才引進和流失”，更多的人在討論“人才環流”。國家和知識團體通過參與到全球對話中實現各自的發展，而不再強求擁有最多的人才。

科學界必須確保主要區域實驗室的健康運行，例如費米實驗室、日本築波的高能加速器研究組織（KEK）等，目前大型粒子物理項目僅在這些地方可行。中國等新興經濟體對主持其他項目的要求將會挑戰現在處於領先地位的國家的長期計劃。美國和歐洲的科學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目推動，並同時保持良好的國際合作關系。

總之，粒子物理學的領導者需要在定義和維護全球計劃上發出更大的聲音，並且表現得更加積極。畢竟，“國際粒子物理設施有助於讓人類了解宇宙是如何工作的。”Lockyer說。

中國科學報