大型強子對撞機僅花了三年時間就發現了希格斯玻色子，但建造它卻耗時近二十年。高能物理的運作速度堪比光速，但背後的實際操作卻如同官僚機構的審批、資金申請和專案建置一樣緩慢。因此，為了推動高能粒子物理領域的發展，全球物理學界不斷地構想和重新構想下一個重大突破——其規模之大，甚至足以令人類迄今為止建造的最大、最昂貴的科學實驗都相形見絀。
上個月在波蘭克拉科夫舉行的會議上，我們得以一窺這些未來的重大發展方向。本月初，歐洲核子研究中心（CERN）的歐洲策略籌備小組研討會匯集了來自歐洲乃至全球的粒子物理學家和科學政策制定者，共同探討物理學界當前和未來的需求，並展望其多種可能的發展方向。目前看來，有兩點似乎可以肯定：大型強子對撞機（LHC）暫時不會退出歷史舞台，但最終我們需要一個更強大、更先進的LHC替代裝置。
「大型強子對撞機（LHC）將繼續運行，並且在未來15到20年內，它仍將是粒子物理研究計劃中非常重要的一部分，主要用於進一步了解希格斯玻色子，」曼徹斯特大學物理學教授、戰略研討會與會者特里·懷亞特（Terry Wyatt）表示。 “本次會議達成的主要共識之一是，將LHC升級到我們所說的高亮度LHC將持續到2030年左右。”
這些升級計畫包括在2022年左右用更新、更強大的磁鐵替換現有的大型強子對撞機（LHC）加速器環形磁鐵，從而在現有LHC空間內打造一台更強大的加速器。這將使研究人員能夠在瑞士-法國邊境以南繼續進行世界上最先進的物理研究，直到下一個十年末。這也意味著，如果物理學家想要進行另一項與LHC規模和雄心一樣龐大的實驗，並使其在LHC於2030年左右停止運行之前做好粒子碰撞實驗的準備，那麼他們實際上應該已經深入設計階段並準備破土動工了。然而，他們並沒有這樣做；但他們肯定在討論這個問題。研討會上討論的另一個焦點是每個人都關心的問題：下一步是什麼？
「如果你真的想在2035年建成並投入運行新的加速器，現在就必須行動起來。」懷亞特曾是伊利諾伊州費米實驗室Tevatron對撞機DZero實驗的負責人，目前正在參與大型強子對撞機（LHC）的ATLAS實驗。他曾任LHC實驗委員會主席，也曾是歐洲核子研究中心（CERN）研究委員會成員，目前是CERN科學政策委員會成員。換句話說，懷亞特花了大量時間思考世界各地高能量粒子物理發展的可能性。在克拉科夫戰略會議上，懷亞特發表了題為「下一步設施」的演講。在演講中，他談到了各種方案，從擬建的50英里長的加速器環（其規模將是現有LHC的三倍）到線性正電子對撞機和μ子對撞機——所有這些設施都能夠達到比LHC高得多的碰撞能量。就像物理學本身一樣，可能性很多——但當你試圖獲得政府資金並啟動一個長達數十年的建設項目時，這未必是件好事。
高能物理界缺乏明確的發展方向，並非只是資金短缺或官僚主義作風（至少不全是這些原因）。大型強子對撞機（LHC）對希格斯玻色子的探索才剛開始，其碰撞能量也只達到設計最大能量14兆電子伏特（TeV）的一半。高亮度LHC產生的數據量將是前身的十倍左右，物理學家期望這些數據能帶來許多新發現，進而影響下一代高能粒子對撞機的設計與概念。
這給物理學家們帶來了兩難的境地。為了確保粒子物理學順利發展，我們需要立即開始建造下一代對撞機。為了確保我們建造的下一代對撞機是正確的，我們需要從大型強子對撞機（LHC）獲取更多數據。因此，在此期間，物理學家和工程師們只能進行假設、暢想，並開始在圖面上進行設計工作。
「問題在於，完成所有這些工作所需的時間都非常長，如果你真的想擁有一台可能在2035年投入運作的新型加速器，那麼你現在就必須非常非常認真地行動起來，」懷亞特說。 「技術和工程方面的挑戰——例如，開發這些磁鐵——都是非常非常高科技的事情，需要很多很多年的時間。所以，人們現在非常認真地致力於解決一些技術和工程難題，而這些技術可能在20年後才能真正應用到加速器中。”
前提是它們真的會被用到。懷亞特將這個過程比喻為中世紀的建築師設計並建造大教堂，而他們明知自己永遠無法親眼目睹其竣工。我們無法確切地說，這些碰撞「大教堂」中哪一座最終會將高能物理學推向新的高度。可能是其中任何一座，也可能是我們尚未構想的完全不同的方案。點擊圖庫鏈接，即可瀏覽我們今天設想的各種高能粒子碰撞機器的未來可能性。這份清單絕非詳盡無遺，但它代表了當今物理學領域的一些前沿理念（也是我們最感興趣的理念）。如果您發現我們遺漏了您特別感興趣的加速器/對撞機概念，請在評論區留言。
