大型强子对撞机之后，应该建造什么样的加速器？才能推动物理学

世界上最强大的粒子加速器：大型强子对撞机，在2013年发现了希格斯玻色子，但是直到今天，甚至是未来它可能再也找不到其他粒子了，那么我们接下来应该怎么办？

“没有什么能够阻止知识前进的步伐，因为无知永远比不上知识！”——恩里科·费米

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）是人类历史上碰撞能量最大的粒子加速器，它发现了标准模型中最重要的一个基本粒子——希格斯玻色子。随后LHC停机升级维护了一年多，现在LHC加速的质子总碰撞能量为13TeV，这是地球上人类创造出的最高能量的碰撞。

LHC在地下有一个直径4.3千米，周长26千米的加速圆环，环内是一个真空的腔室，高能质子分别从两个方向注入到圆环中进行加速。

在圆环内部，安装了人类有史以来最强大、数量最多的电磁铁，并且利用液氦进行冷却实现超导，如此强大的电磁铁是未来完成以下的两个工作：

• 首先当质子经过时，给质子提供一个电场，电场会给质子提供一个加速度，使其在行进的方向上移动的更快。

• 并且利用磁场将质子弯曲成一个环形路径，在质子速度提高的过程中，磁场也会相应的加强，以防止质子撞到环形轨道的内壁。

在大型强子对撞机之前，美国的费米加速器实验室创造了一项古老的记录，它也是世界上输出能量第二高的质子-反质子加速器。

当时费米实验室加速器的周长只有6.3千米，或者说半径只有1千米。而且它当时还使用的是稍微老一点的电磁铁技术，因此它的最高能量只有1.96 TeV，质子和反质子束的碰撞能量分别为0.98 TeV。

那么大家往往有个疑问就是，为什么这些环形加速器通常都会使用质子（还有反质子），而不使用电子（还有正电子）来进行碰撞。毕竟，质子是一种复合粒子，它是由夸克和胶子组成的，而电子是一种单一的基本粒子，在碰撞后，电子能够产生更加清晰的信号，而且也更容易探测到所生成的新粒子。并且可以把全部的动能转变为新形成的粒子。

而质子在碰撞的过程中，通常大部分动能会被分散到夸克和胶子中，这样就会造成能量的分散不利于新粒子的产生，而且质子碰撞后，场面比较混乱，探测难度更大。

问题是在磁场中运动的带电粒子会发出辐射，我们称之为同步加速辐射。而这种辐射所造成的能量损失和带电粒子质量的四次方成反比，由于电子比一个质子轻了1836倍，所以电子在加速的过程中会比质子以更快的速度损失能量。知道（1836）^4是多达吗？

大约是10^13，或者10000,000,000,000。这足以限制一个电子在加速器中所获得能最高能量，这就是为什么圆形加速器要使用质子，而且圆形加速器的最高能量碰撞记录都是由质子和反质子创造的。

简单地说，粒子加速器中创造更高的能量就意味着有更多新发现的可能。如果一个顶夸克的质量是175gev（以自然单位计算），那么必须至少有175gev的能量才能创造出顶夸克粒子。理论上，大型强子对撞机可以创造出能量高达13 TeV的粒子；在实践中，它创造出了能量高达1000 - 2500 GeV或1.0-2.5 TeV的可探测粒子。

但是，如果在标准模型中除了已知的粒子之外，看不到其他任何新的粒子，这将会给大多数理论学家和物理模型构建者带来特别大的麻烦。

因为目前人类发现的很多现象都预示着还有新的物理学等着我们去发现，因此我们期望能找到标准模型以外的粒子。也期望LHC不仅仅是发现了希格斯粒子，我们也希望它能找到新的物理学标志。如果找不到，这对物理学来说肯定是一个大的麻烦，甚至会导致基础物理学发展缓慢。

因此下一步计划是建立ILC，或国际直线对撞机。线性对撞机是电子/正电子发光的地方，因为如果我们不需要把粒子弯成一个圆环，那么就不用担心同步加速辐射的问题。而电子碰撞后在所有的能量下会产生高精度的信号，只要能量达到180Gev，我们就能详细研究目前每一个已知的粒子。

但是除了ILC，物理学家还有更加强大的梦想机器。一个真正能创造极限能量的加速器。那么我们人类目前能想到的最大的粒子激加速器是什么？

如果我们想要达到最大的能量，还是需要建立环形加速器，因为环形加速器可以重复的对粒子进行加速。而决定环形加速器碰撞能量的两个因素是：循环弯曲粒子的磁场强度，由偶极磁铁的强度决定，在一个就是圆环的半径。

听起来就这么简单，其中磁体强度受到了人类目前科技发展的水平，存在很大的不确定性。我们不一定能创造出最强大的电磁铁。但是我们可以控制圆环的半径，这不需要技术支撑，只需要大量的资金投入。

也就是说，加速器的圆环越大，质子的速度就越快。

粒子物理学界的终极梦想机器被称为费米特龙，它是一种加速器，要么绕地球一周，要么在围绕地球的稳定轨道上运行。这显然需要大量的工程、持续的投资和国际合作。地球的半径平均是6371千米，大约是大型强子对撞机半径的1500倍。

这意味着，即使使用当今的磁铁技术（LHC使用的磁铁），我们也可以达到20.7 PeV或20700 TeV的能量！（LHC只有13tev。）如果我们改进现有的电磁铁技术，这个数字只会更高。

在全球建立这样的大型机器肯定会存在政治障碍，而且地球还是一个地震活跃的星球，并且在地球轨道创造出这样的机器感觉像是给人类的头上悬了一把利刃。有过有以上的担心我们也可以在地球的附近找一个地质活动不那么活跃的星球，然后再上面建立环形跑道。我们有候选者吗？

没错，就是月球！月球的赤道半径为1738公里，是建造粒子加速器的好地方！任何质子-质子（或质子-反质子）加速器的能量公式很简单：用半径（km）乘以特斯拉磁场，然后整体乘以0.4，就得到了加速器在TeV中的最大能量。

想象一下，如果我们在半径为1光年的地方建造一个加速器，我们就可以直接测试暴涨理论和大统一理论了！

这些事情难以实现的原因说到底，只有一个原因就是没有钱。如果我们不建造更强大的加速器，我们想要探测能量的边界就只能期望有更多的宇宙射线轰击地球了。