科学家呼吁全球合作迎接粒子物理学新挑战

现在，是时候停下来考虑下一步粒子物理学应该如何发展了。

奈杰尔·洛克耶呼吁下一代粒子物理研究项目的全球协调。

资料来源: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已经基本完成。希格斯粒子预测获得诺贝尔奖的热潮尚未消退，粒子物理界对此深感满意。现在，是时候停下来考虑下一步粒子物理学应该如何发展了。

希格斯玻色子是粒子物理标准模型中的最后一块拼图，但该模型无法解释宇宙的一些基本方面。从微质量的中微子到暗物质和暗能量，在这个领域还有更多的发现。但是下一条线索在哪里？

这还不确定。人们知道的是，下一代粒子加速器将会很昂贵，但在全球科学研究的财政约束下，对*资助资金的需求正在增加。奈杰尔·洛克耶即将成为伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验的主任。在过去的六个月里，他一直在讨论美国粒子物理学的未来。洛克耶认为粒子物理学是全球探索的一个领域，许多国家的项目和参与者都致力于此。美国在中微子物理和其他领域处于领先地位，但世界的总体形势并不明朗。相关资源需要合并，新的竞争对手正在出现。中国和印度的人才、基础设施和目标必须考虑到整体情况。

每个国家和重大项目都必须考虑其影响。洛克耶说，机会是巨大的:它可以加快进展，并结合不同的优势；然而，风险同样巨大:可能无法就重大项目达成协议，国际合作伙伴将会失去。

在希格斯之外

瑞士日内瓦附近欧洲粒子物理实验室的大型强子对撞机(LHC)是目前世界上最高的能量加速器。经过两年的升级，当这台机器在2015年初再次启动时，它将在接近14万亿电子伏(万亿电子伏)的设计能量水平下运行，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成，任何新粒子的发现都将彻底改变科学家对物理学的理解。

此外，还有计划在20世纪20年代升级LHC，以提供更高能量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发展。科学家还不知道中微子是如何相互作用的，它们的质量来源，或者它们在早期宇宙中的作用。费米实验室计划建立一个长距离中微子束实验，从费米实验室延伸到南达科他州的霍姆斯·塔克，全长1300公里。此外，35，000吨液态氩探测器将安装在地球表面以下1500米处。该实验的总建设预算接近10亿美元，这要求它寻求国际合作。能源部科学办公室表示，如果欧洲和亚洲的研究团队参与进来，它将支持这项提议。

日本是这项实验的最大竞争者。日本希望通过国际线性对撞机(ILC)研究希格斯玻色子，并计划在20世纪20年代末在精确度上超过LHC。大多数粒子物理学家支持ILC，但许多人仍然想看看升级后的LHC会首先发现什么。

转移指挥棒

科学家不确定下一个重大发现的能量范围。许多物理学家认为目标应该设定得尽可能高。甚至有些人认为应该建造更高能量的轻子对撞机，比如压缩线性对撞机(欧洲与ILC竞争的高能对撞机)等等。欧洲正在组建一个团队来设计一台100吨质子对撞机，它有一个周长为100公里的隧道，预计将于20世纪30年代开始。

美国在20世纪90年代未能实现超大型超导加速器的运行，在2011年关闭费米实验室的太电子伏特加速器后，它仍有雄心去主持一个高能尖端机器项目。也许高能领域的接力棒将会传回到美国，毕竟费米实验室仍然是质子加速器领域的世界领导者。

洛克耶说:“中国角色的改变也增加了悬念。”去年，中国从粒子物理学史上的一个小角色逐渐走上世界舞台。它在中微子物理方面取得了令人印象深刻的成就，包括发现三个中微子中的两个混合在一起的程度比预期的要高。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可以在长基线实验中观察到，这告诉人们早期宇宙中物质和反物质之间的不平衡。如果我们实施一个更大胆的想法，中国有可能通过建造一个100千瓦的设备来引领世界吗？在中国制造设备的成本更低，尽管它需要世界上其他国家的帮助来设计和制造。

洛克耶认为，如果中国真的领先，它将改变科学景观的面貌。关于全球粒子物理学进展的讨论需要来自中国、印度、北美、欧洲和日本的国家元首的参与。

世界对话

洛克耶指出，物理学家不关心在哪里做研究。但是粒子物理项目的规模意味着所有新的巨型加速器的建造都需要全球计划、协议和参与。*将不得不在其他国家进行前所未有的金融投资，挑战将纳税人的钱主要放在国内以获得直接短期利益的传统模式。

各国*将努力确定哪种模式最符合本国利益。然而，很少有人还在谈论“人才引进和流失”，更多的人在谈论“人才循环”。国家和知识群体可以通过参与全球对话来实现自身发展，而不是要求最优秀的人才。

科学界必须确保主要区域性实验室的健康运行，如日本筑波的费米实验室和KEK实验室。目前，大规模粒子物理项目只在这些地方可行。中国和其他新兴经济体对主办其他项目的需求，将挑战领先国家的长期计划。美国和欧洲的科学家必须了解如何最好地利用国际竞争来刺激他们自己的项目推广，同时保持良好的国际合作。

简而言之，粒子物理学的领导者需要发出更大的声音，更积极地定义和维护全球项目。毕竟，“国际粒子物理设施帮助人类理解宇宙是如何运作的。”洛克尔说。(张冬冬)

中国科学新闻(2014-008第三版国际版)