本报记者  刘 霞  综合外电

    2011年12月13日，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家宣布，他们发现了希格斯玻色子存在的迹象。但经考虑实验其他误差后，宣布实验结果无效。2012年7月4日，科学家宣布发现了一个新粒子，与希格斯玻色子特征有吻合之处。这一发现不仅为比利时理论物理学者弗朗索瓦·恩格勒和英国理论物理学家彼得·希格斯获得2013年诺贝尔物理学奖奠定了基础，也成为物理学研究漫长征程的一个重要的里程碑。

    据美国趣味科学网站近日报道，世界上功能最强大的粒子加速器大型强子对撞机（LHC）历时3年才找到“飘若游龙”的希格斯玻色子粒子，科学家们认为，正是这一粒子让其他粒子拥有了质量，但是，它仍然有待实验观测证实。

    而LHC的“主人”——欧洲核子研究中心的科学家们建造这台机器所花费的时间更长。LHC是目前全球最大、能量最高的粒子加速器，是一种将质子加速对撞的高能物理设备，坐落于日内瓦附近瑞士和法国交界侏罗山地下100米深、总长27公里的环形隧道内，建造成本为几十亿美元。在这里，质子以高速环绕27公里的环形隧道，相互碰撞，产生新粒子。

    不过，英国曼彻斯特大学的物理学家特里·怀亚特在英国皇家学会于最近进行的一次有关希格斯波色子的研讨会上表示，如果科学家们想要获得超越希格斯玻色子的物理学新发现，比如发现新的奇异粒子和粒子之间的相互关系，单凭LHC可能有点勉为其难。怀亚特是LHC的超环面仪器实验（ATLAS）的研究人员，ATLAS是安装在LHC的环形隧道上的4个巨大实验室中的一个，附在环形隧道周围的探测器将监视撞击过程。

    物理学家们已经发现了希格斯玻色子，那么，接下来他们打算做些什么呢？美国趣味科学网站为我们进行了总结，指出为了获得超越LHC提供的科学研究结论，我们需要建造何种加速器来粉碎粒子，从而获得新发现。

    LHC或力不从心

    首先，在未来10年，为了获得新的科学发现，LHC或许将不得不以更高的能量负重运行。实际上，一旦目前正在进行的技术升级完成，LHC将于2015年重新启动，届时，它能将两束质子分别加速到14TeV（万亿电子伏）的最高能量状态，并使之对撞，其能量状态可与宇宙大爆炸后不久的状态相匹敌，或许可以创造出少量暗物质。

    在LHC的加速器通道中，放置有两个质子束管，加速管由超导磁铁所包覆，以液态氦来冷却。管中的质子是以相反的方向，环绕着整个环型加速器运行。再下一次的升级，很可能发生在2022年左右，这次升级可能会用更坚固的磁铁替换目前的磁铁。经过这次更新换代，LHC可能成为一台功能更加强大的对撞机，甚至还能得到一个响亮的新名字：“高亮度的大型强子对撞机（High Luminosity LHC）”。

    这次升级并不会增加LHC的对撞能量，但会将其亮度（单位截面碰撞发生的频率）提高10倍，其提供的数据量也会相应增加同样多的倍数。

    怀亚特说，如果这些升级仍然无法找到新粒子并拓展统辖基本粒子行为和相互关系的粒子物理学标准模型，科学家们或许需要建造一台更大且功能更强的设备来替代它。怀亚特也是DZero Experiment项目的负责人，该实验的主要宗旨是，利用位于费米国家实验室的万亿电子伏特对撞机（Tevatron collider），调查物质的基本属性。

    环路还是直线？

    自然而然地，为了获得新发现，科学家们开始考虑求助于比LHC对撞能量更高的对撞机，比如，拥有长达80公里加速环（这一距离为LHC的3倍）的对撞机。就像其前任LHC一样，这一设备也将由CERN管理，而且也是让质子发生对撞。目前，科学家们正在进行地理可行性分析。

    拥有更长的加速环和功能更强的磁铁的对撞机将提供高达80万亿电子伏到100万亿电子伏的对撞能量，并且可能产生质量更大的新粒子。然而，怀亚特表示，LHC的继任者所需要的这种高能场磁铁将是一个巨大的技术挑战，因为LHC使用的磁铁并不能达到其“接班人”所需要的磁场强度。

    怀亚特表示：“能够容纳这种机器的管道可能要在2040年才能完成。不过，这样的管道或许也能容纳一台能让电子和质子以更低能量发生对撞的对撞机，这台对撞机对产生并研究希格斯玻色子已经足够。”

    科学家们提出的另外一个下一代高能粒子加速器建议是，建造一台线性机器，这台设备暂时被定名为“国际直线对撞机 （International Linear Collider，简称ILC）”。这台机器将建于何处目前还是个未知数，不过，很多日本科学家提议在日本建造这台机器。

    在这台机器内，粒子并非在一个圆环内移动，而是在长为31公里的直线加速轨道内运行，对于发生对撞的质子来说，这段“旅途”并不长，但对于比质子轻的粒子，比如电子和其反物质（正电子）来说，这段“旅程”已然足够。

    在环形粒子加速器内加速电子和正电子这样轻的粒子非常需要技巧，因为每次它们都会形成一个圈，会辐射出能量，这就意味着在环路中行进的电子很快会丢失大部分能量。

    为了以非常高的能量来粉碎电子，线性加速器会更管用。这种加速器的加速管道是笔直的，每端都有一台加速器，通过这个管道，从两端出发的电子和正电子会相互碰撞并相互湮灭——因为当物质和反物质相遇时，它们会相互湮灭。

    这种线性加速器能将粒子加速10万亿电子伏。一旦项目被通过，这台设备将于21世纪30年代的某个时刻开始工作。

    尽管如此，这种线性加速器也有自己的劣势：与环形加速器相比，线性加速器产生的对撞更少。怀亚特解释说：“这是因为，粒子束相遇一次，对撞之后就再也不见了；而在环形加速器中，粒子每秒钟会相遇几千次。”

    如果CERN目前正在研发的一种加速技术被证明有用的话，科学家们可以制造出更高性能的线性电子——正电子加速器，这一技术使用非常紧密但低能的粒子束来产生能量，从而加速第二束低密度但非常高能的粒子束。

    用μ子代替质子

    最后一种可能性是用环形加速器来粉碎μ子而非质子，这一加速器有可能“花落”费米实验室内，但还不会这么快竣工，其可能会在2040年到2050年之间建成。

    μ子是轻子的一种，带一个单位负电，其质量位于质子和电子之间。由于其比电子重，因此，在环形对撞器内，它们并不会将所有能量辐射出去；但它们又比质子轻，质子由其他基本粒子组成，当质子相遇时，随着质子分解成更基本的粒子，会丧失部分能量。

    这种对撞机或许只能将μ子加速到3万亿电子伏到6万亿电子伏，然而，鉴于μ子是基本的粒子，它们之间发生对撞可能意味着，会有相当多的能量用于制造新粒子，这将使μ子对撞产生的数据量能与更高能的质子加速器产生的数据量相媲美，至少可以用于一些物理学研究和寻找新粒子。然而，μ子也非常不稳定，当它们在实验室中被制造出来后，它们会立刻发生衰变，因此，在建造一台μ子对撞器之前，科学家们必须攻克这一技术难题。

    所有这些与更强大的对撞机有关的猜测和建议都非空穴来风。如果科学家们想在LHC不再满足要求时，有下一代机器可供使用，那么，有关的研究和研制过程现在必须马上开始。科学家们必须在2020年之前将所有的建造计划确定下来，因为，建造这些机器可能需要10年到20年的时间。科学家们表示，由于我们在上世纪80年代的努力，我们现在有LHC；在接下来的几十年，我们要想获得更大的物理学突破和发现，我们必须未雨绸缪，早作打算。