解碼「對撞機」：為什麼越建越大？能做些什麼？

目前的世界大型粒子對撞機尺寸對比(中國的BEPC正負電子對撞機最小，但未來建立的CEPC環形虛線區域則最大)

對撞兩粒橙子籽兒，不那麼容易

你真正感興趣的是兩粒橙子的籽兒能撞出來什麼，但你得用兩個橙子去撞，結果是汁液四濺，碎屑橫飛，亂七八糟啥也看不清。

對撞機，顧名思義，專門製造「天雷地火大碰車」。兩輛大貨車全速撞在一起必然是火星四濺零件兒亂飛。科學家驅趕基本粒子使之迎面對撞，能量比大貨車還高得多。科學家製造車禍現場，越慘烈他們越高興——殘片甩出來，趁機測一測有什麼新奇的零件兒沒有。

之所以基本粒子能夠具備比大貨車還高的能量，是人們「加速」出來的，所以對撞機也叫加速器。運動的粒子帶電荷，人類可以用強大的電磁場(為此得研發先進的超導技術)讓它們改變速度，跑得更快。就好像一匹馬被放進跑道，有個馴馬員不停抽它，就越跑越快。反方向的兩束粒子，最終迎面碰頭撞出世間萬象。

當初歐洲的大型強子對撞機(LHC)還沒運行的時候，有傳言說它弄不好會撞出一個黑洞來毀滅地球。這說法也不是沒邊兒沒沿兒，因為巨型對撞機的確志在製造出媲美宇宙大爆炸的能量密度。

為了用電磁場加速，對撞機用的都是有電荷的粒子：質子和反質子，電子和反電子。如果要用質子，用強電場加在氫氣上，質子和電子就剝開了。如果要用電子，則是利用電子管的原理：加熱一些材料，讓電子跑出來。而反質子和反電子的獲取就麻煩一點，可能要用到激光。這些粒子被製造出來後，會在一個磁場圈兒里慢慢跑著，等要撞了，再放進「賽道」。

超越一個大獲成功的模型，路在何方？

為了超越標準模型，一些學者把目光轉向和弦理論有緊密聯繫的超對稱粒子，希望建造更大的對撞機，實現更高能量的碰撞。

目前最成功地描述微觀世界秩序的，就是「標準模型」了。自然界有四種基本力，強力、弱力、電磁力和引力。格拉肖1961年提出了弱力和電磁力統一的模型；1967年，溫伯格和薩拉姆在格拉肖模型的基礎上，借鑒希格斯的方法，提出了弱電統一規範理論；他們幾位也是標準模型的奠基人。

標準模型描述了電磁、強作用、弱作用相關所有現象，也給組成物質的基本粒子分了類，將粒子分成費米子和玻色子。費米子是組成物質的，包括電子、夸克和中微子等等，玻色子則傳遞力，包括光子、介子和膠子等等。

當希格斯粒子被LHC發現後，標準模型預言的61個粒子都被證實了。而甚至在希格斯粒子被發現之前，已經沒人挑戰這個極為符合現實的理論框架了。然而，物理學家仍然覺得有缺憾。因為標準模型中沒有引力的位置，它不是描述萬事萬物的「大統一理論」。標準模型也不能解釋暗物質，它不能解釋我們觀察的宇宙中的物質和反物質為何不對等，它也不能解釋宇宙為什麼暴脹。

為了超越標準模型，高能物理界的希望之星是弦理論。丘成桐和威滕等數學界菲爾茲獎的獲得者，都對弦理論做過貢獻。弦理論把各種粒子看作是弦的表現形式，這種理論看起來是一種包羅萬象的、有潛力的更高框架。但目前弦理論還沒有做出具體的預測，不能被實驗證實或證偽，因此它想成為相對論、量子力學一樣的成功理論還需時日。而弦理論與被廣為接受的物理學相同的是，它在數學上別具魅力，不論它是否描述我們身處的宇宙。目前，弦理論的大本營是在高能物理的傳統中心美國。

理論的曙光一般來自實驗，很多高能物理學家希望建造更大的對撞機，實現更高能量的碰撞。其中一些學者就矚目於標準模型之外的超對稱粒子，這種超對稱粒子和弦理論有相當緊密的聯繫。

LHC之後還有誰？各想主意

對撞機大概分兩種：一種用電子去對撞，優點是電子結構簡單個頭兒小，撞出來碎片兒比較少，方便科學家看清楚，缺點是它喜歡一邊兒跑一邊兒輻射能量，老泄氣兒跑不快；另一種質子對撞機，長處和短處與電子對撞機相反。美國費米研究室還提出一種想法，用μ子去撞，但大量製造μ子有困難，現在還沒實現。

目前，歐洲核子研究組織正探討升級LHC的超導磁體，將LHC的能量上限從14TeV提至20TeV。但高能物理學家已將目光投在LHC之後：一個方案是日本的國際直線對撞機(ILC)，另一個是中國的環形正負電子對撞機(CEPC)以及預想中的質子對撞機(SPPC)。

目前兩個項目都還在研究籌備中。升級ILC似乎頗有希望通過。當然它也需要海量投錢，前途未卜。日本將在今年做出決定。如果要建，2030年開始運行。預算是100億美元。根據設計，正負電子沿著31公里長的直線通道對撞(LHC則是在27公里的環形通道內用質子對撞)。

高能物理學家想依靠下一代對撞機首先解決希格斯粒子的謎團，比如LHC測出的希格斯子的質量為何如此小？作為標準模型的基礎，希格斯子的質量本來被算得相當大。這也成為突破標準模型發現新物理的一個方向。

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