大型强子对撞机之后：粒子物理学的下一个真正大型实验

大型强子对撞机仅用了三年时间就发现了希格斯玻色子，但建造大型强子对撞机却花了近 20 年时间。高能物理以光速发生，但其底层实际操作却以官僚主义、资金请求和具体实施的速度发展。因此，为了让事情继续向前发展，全球物理学界不断设想和重新设想高能粒子物理学的下一个重大事件——这些事件大到足以让人类有史以来最大、最昂贵的科学实验相形见绌。

上个月在波兰克拉科夫举行的一次会议上，我们瞥见了这些未来的大事。本月早些时候，欧洲核子研究中心的欧洲战略筹备小组研讨会汇集了来自欧洲和世界各地的粒子物理学家和科学政策制定者，以考虑物理学界的当前和未来需求，并讨论其多种可能的未来。目前有两件事似乎是肯定的：LHC 暂时不会消失，但最终我们需要一个更大、更强大的 LHC 替代品。

“LHC 将继续运行，LHC 将继续成为未来 15 到 20 年粒子物理计划中非常重要的一部分，主要用于进一步了解希格斯玻色子，”曼彻斯特大学物理学教授、战略研讨会与会者特里·怀亚特 (Terry Wyatt) 表示。“本次会议达成的主要共识之一是，将 LHC 升级到我们所谓的高亮度 LHC 将需要我们度过 2030 年左右。”

这些升级包括在 2022 年左右用更新、更强大的磁铁替换当前的 LHC 加速器环形磁铁，本质上是在现有 LHC 空间内创建一个更强大的加速器。这将使研究人员能够继续在瑞士-法国边境下进行世界上最先进的物理研究，直到下一个十年结束。这也意味着，如果物理学家想要进行另一个像 LHC 一样规模大、野心勃勃的实验，并在 LHC 于 2030 年左右停止运行时准备好开始粉碎粒子，他们真的应该已经深入设计阶段并准备破土动工。他们没有；但他们肯定在谈论它。研讨会上还讨论了每个人心中的问题：下一步是什么？

“如果你真的想拥有一台可能在 2035 年开始运行的新加速器，那么你必须现在就行动起来。”怀亚特曾是伊利诺伊州费米实验室 Tevatron 对撞机 DZero 实验的负责人，目前正在从事 LHC 的 ATLAS 实验。他还是 LHC 实验委员会的前主席，曾是 CERN 的研究委员会成员，目前是 CERN 的科学政策委员会成员。换句话说，怀亚特花了大量时间思考全球高能粒子物理学的可能性，在克拉科夫战略会议上，怀亚特发表了题为“下一步设施”的演讲。在演讲中，他谈到了从拟议的 50 英里加速器环（比现有的 LHC 大三倍）到线性电子-正电子对撞机和μ子粉碎机等所有内容——所有这些都能够达到比 LHC 高得多的碰撞能量。正如物理学本身一样，可能性是多种多样的——当您试图获得政府资金并破土动工进行长达数十年的建设项目时，这种情况并不一定是有利的。

高能物理学界缺乏明确的前进道路不仅仅是由于缺乏资金或官僚主义的惰性（至少不仅仅是这些原因）。大型强子对撞机刚刚触及希格斯玻色子的表面，它只达到了其设计的最大碰撞能量 14 兆电子伏特 (TeV) 的一半。高亮度大型强子对撞机将产生比其前身多十倍的数据，物理学家预计这些数据将产生许多新发现，这些新发现将影响下一代高能粒子对撞机的设计和概念。

这给物理学家们带来了一种困境。为了让粒子物理学顺利向前发展，我们需要今天就开始建造下一代对撞机。为了确保我们建造正确的下一代对撞机，我们需要更多来自 LHC 的数据。因此，在此期间，物理学家和工程师们假设、梦想并开始在绘图板上工作。

“问题在于，完成这一切的时间跨度太长了，如果你真的想拥有一台可能在 2035 年开始运行的新加速器，那么你必须现在就开始行动，非常非常认真地行动，”怀亚特说。“技术和工程挑战——例如开发这些磁铁——是一项非常非常高科技的事情，需要很多年的时间。所以人们现在正在非常认真地应对技术和工程挑战，而这些挑战可能在未来 20 年内都不会真正用于加速器。”

这还是在它们被使用的情况下。怀亚特将这个过程比作中世纪的建筑师设计和建造大教堂，他们知道自己永远看不到大教堂的完工。没有人知道这些碰撞大教堂中的哪一个最终会将高能物理学提升到一个新的水平。可能是其中任何一个，也可能是我们尚未想到的完全不同的东西。点击画廊链接，了解我们今天设想的高能粒子粉碎机的许多可能的未来。这个列表绝不是详尽无遗的，但代表了当今物理学的一些领先思想（也是最令我们着迷的思想）。如果我们遗漏了你觉得特别有趣的加速器/对撞机概念，请在评论中告诉我们。