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粒子物理学：分水岭后的叉路口 |
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科学家呼吁全球合作迎接粒子物理学新挑战 |
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现在，是时候停下来考虑粒子物理学接下来应如何发展的问题了。
Nigel Lockyer呼吁在全球范围内协调下一代的粒子物理科研项目。
图片来源：SCOTT GARRETT
2013年是粒子物理学的分水岭。对希格斯玻色子长达几十年的探索基本完成。希格斯粒子预测获得诺贝尔奖所引起的热潮尚未退去，粒子物理界对此深感满意。现在，是时候停下来考虑粒子物理学接下来应如何发展的问题了。
希格斯玻色子是粒子物理学标准模型中的最后一块拼图，不过该模型并不能解释宇宙的一些基本方面。从中微子极小的质量到暗物质和暗能量，该领域还有更多的东西有待发现。不过下一个线索潜伏在哪里呢？
这并不能确定。人们所知道的只是下一代的粒子加速器将是昂贵的，在全球的科研财政约束下，对政府支持的资金要求却在上涨。Nigel Lockyer即将成为美国伊利诺伊州巴达维亚市费米国家加速器实验的主任，过去6个月里他一直在讨论美国粒子物理的未来。Lockyer认为，粒子物理是一个全球探索的领域，很多国家的项目和参与者都致力于此，美国在中微子物理学等领域处于领先地位，但全世界的整体情况并不清晰。相关资源需要合并，新的竞争者正在出现。中国和印度的人才、基础设施和目标必须考虑到全局形势中。
而每个国家和主要项目都必须考虑其影响。Lockyer表示，机会是巨大的：可以以此加快进度并结合不同优势；但是所面临的风险也同样大：也许在重大项目中不能达成协议，失去国际合作伙伴等。
希格斯以外的领域
瑞士日内瓦附近欧洲粒子物理实验室里的大型强子对撞机（LHC）是目前世界上最高能的加速器。经过两年的升级，在2015年初再次启动时，该机器将在接近其设计能量14TeV（万亿电子伏）的水平上运行，大约是发现希格斯粒子的能量水平的两倍。既然标准模型已经完整，那么任何新粒子的发现都将彻底改变科学家对物理学的认知。
除此之外，还有一些计划会在21世纪20年代升级LHC，以提供更高能的电子束和更高效的探测器。
其他尖端科学也有望实现进一步的发展。科学家尚不理解中微子如何相互作用，其质量的起源或其在早期宇宙中的作用。费米实验室正在提议建立一个长途的中微子束实验，从费米实验室延伸1300千米到达南达科他州霍姆斯塔克市。另外，还会在地表以下1500米处设置3.5万吨的液氩探测器。该实验的总建设预算近10亿美元，这要求其寻求国际合作者。能源部科学办公室已经表示，如果有欧洲和亚洲的研究团队参与其中，它将支持该提议。
而日本是该实验最强劲的竞争对手。日本希望通过国际直线对撞机（ILC）研究希格斯玻色子，并计划于21世纪20年代末在精度方面超越LHC。大多数粒子物理学家支持ILC，不过很多人还是首先想看一下升级后的LHC将会有何发现。
传递接力棒
科学家并不确定下一个蕴藏重大发现的能量范围是什么，许多物理学家相信，应该尽量将目标定得高一些。甚至一些人认为应该建立更高能的轻子对撞机，例如压缩线性对撞机（欧洲建立的与ILC竞争的高能对撞机）等。欧洲正在组建团队设计一个100TeV质子—质子对撞机，它有周长100公里的隧道，有望于21世纪30年代启动。
美国在20世纪90年代未能实现超导超大型加速器运行，以及在2011年关闭费米实验室的万亿电子伏加速器后，仍有野心主持一个高能尖端机器的项目。也许高能领域的接力棒会传回美国，毕竟费米实验室仍然是质子加速器领域的世界领袖。
Lockyer说：“中国的角色变化也为此更添悬念。”去年，中国从粒子物理学历史上的一个小角色，逐渐走上了世界舞台，它在中微子物理学上取得了令人印象深刻的成果，其中包括发现3种中微子中的2种混合在一起的程度比预想的更高。这种大程度的混合意味着中微子和反中微子之间基本对称的差异也许在长基线实验中是可观测到的，这告诉了人们关于早期宇宙中物质与反物质的不平衡。若进行更大胆的设想，中国有没有可能会通过建立100TeV的设备从而领先世界呢？在中国建造设备的花费更少，尽管它需要世界其他国家的帮助进行设计和建造。
Lockyer认为，如果中国确实能够领先，那它将改变科学版图的面貌。关于全球粒子物理学进展的讨论需要中国、印度、北美、欧洲和日本国家首脑的参与。
世界对话
Lockyer指出，物理学家并不在乎在哪里作研究。但是粒子物理项目的大规模意味着所有新的巨型加速器需要全球的计划、协议与参与建造。各国政府将不得不在其他国家作出前所未有的金融投资，挑战传统的将纳税人的钱主要放在国内获得直接短期效益的模式。
各国政府将试图明确哪种模式最符合其国家利益。而少有人还在谈论“人才引进和流失”，更多的人在讨论“人才环流”。国家和知识团体通过参与到全球对话中实现各自的发展，而不再强求拥有最多的人才。
科学界必须确保主要区域实验室的健康运行，例如费米实验室、日本筑波的高能加速器研究组织（KEK）等，目前大型粒子物理项目仅在这些地方可行。中国等新兴经济体对主持其他项目的要求将会挑战现在处于领先地位的国家的长期计划。美国和欧洲的科学家将不得不了解如何最好地利用国际竞争以刺激自身的项目推动，并同时保持良好的国际合作关系。
总之，粒子物理学的领导者需要在定义和维护全球计划上发出更大的声音，并且表现得更加积极。毕竟，“国际粒子物理设施有助于让人类了解宇宙是如何工作的。”Lockyer说。（张冬冬）
《中国科学报》 (2014-01-08 第3版 国际)
