在伊利诺伊州草原一片残存的土地下，一群小野牛在悠闲地吃草，质子和反质子沿着一条四英里长的隧道以相反的方向高速运行。每秒钟，数十万个粒子在碰撞中迸发出难以辨认的粒子。这又是费米实验室特万加速器（Tevatron）的日常景象，这个粒子加速器坐落在芝加哥以西约50英里的巴达维亚占地6800英亩的费米国家加速器实验室综合体的葱郁土地上。像今天这样的日子已经有很多了，有些是例行的，有些是壮观的；物理学家认为构成宇宙中所有普通物质和能量的17种基本粒子中，有三种是在这里发现的。但这样的日子不会太多了。到10月1日，为1000多个液氦冷却超导磁体供电的电源将永远关闭，最后一束微弱的粒子将被金属靶吸收，从而结束这个直到最近还是世界上最强大的粒子加速器28年的运行历史。
对于这里数百位花了近二十年时间寻找一种名为希格斯玻色子的假设粒子的物理学家来说，关闭意味着将这场追逐——以及可能的诺贝尔奖荣耀——让给他们的主要竞争对手，即位于瑞士-法国边境欧洲核子研究中心（CERN）的规模更大、更强大的新型加速器——大型强子对撞机（LHC）。凭借其17英里的周长和更高的能量，LHC已经取代特万加速器成为世界首屈一指的粒子物理研究工具，这一地位将保持到下一个十年。
美国能源部在本财政年度结束时关闭特万加速器的决定并没有让费米实验室的任何人感到惊讶。一些物理学家曾建议能源部为这个老化的加速器再资助三年，让它最后一次尝试寻找难以捉摸的希格斯玻色子，理论家认为这种粒子负责赋予所有其他粒子质量。但即使是最热心的特万加速器老手也承认，这台旧机器最终还是变得多余了。“我没有悲伤，”德米特里·丹尼索夫说。“这就像你的旧车一样。整个科学史就是新工具的历史。这个工具持续了25年以上。是时候继续前进了。”
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
对于丹尼索夫来说，承认这一点并非易事，他是负责运行D-Zero团队的联合发言人，D-Zero是横跨特万加速器的两个庞大的探测器之一。两年前，在年度美国科学促进会会议的新闻发布会上，丹尼索夫说：“我们现在非常有、非常有机会在LHC之前看到希格斯玻色子的踪迹。”当时，一次电气故障导致LHC关闭了几个月，丹尼索夫的信心也得到了费米实验室许多人的认同。但事与愿违。当LHC在2009年11月重新上线时，它迅速提升到比特万加速器高三倍的能量。
在过去的三十年里，D-Zero的主要竞争对手一直是特万加速器的另一个巨大的探测器，即费米实验室的对撞机探测器（CDF），它位于加速器上方，距离D-Zero一英里远的草地上。来自数十个国家的数百名物理学家在每个探测器工作。
今年春天，CDF的物理学家宣布，他们在数据中发现了似乎是新粒子的迹象。特万加速器是否在其衰落的日子里，发现了希格斯玻色子的第一个明显迹象？丹尼索夫和他在D-Zero的同事立即开始复核CDF的结果。《大众科学》付印时，这个问题仍然悬而未决。然而，有一点是明确的：加速器内部的竞争尚未结束。
“我想击败德米特里，反之亦然，”CDF团队的负责人罗布·罗瑟说。“我们很友好；我们交谈；我们是朋友。但我们一直想击败对方。现在结局不同了。LHC是坏人。以前是德米特里。我从来不想让LHC击败我们中的任何一个。这就像，你不能欺负我的弟弟——只有我可以。”
随着旧的竞争（几乎）结束，新项目刚刚开始，费米实验室正在经历一个不确定的时期。整个粒子物理学科也可以这样说。物理学家们等待一台机器已经很久了，这台机器可能会让他们进入物理现实的新领域。鉴于LHC预计在未来两年内将其碰撞能量提高一倍，关于它可能发现什么，有许多想法：额外的维度、超对称性（即每个已知的粒子都有一个所谓的超对称双胞胎）、希格斯玻色子，当然还有。最好的是完全出乎意料的东西。然而，还有另一种可能性，通常被忽视，但不可能完全排除。它同时让物理学家们担忧和好奇：如果LHC以及计划在没有特万加速器的费米实验室进行的未来十年的粒子物理实验，什么出乎意料的东西都没有发现呢？
未知的目的地
不久前，物理学家们对特万加速器抱有与现在对LHC相同的许多希望。在LHC启动的十五年前，费米实验室的物理学家认为特万加速器可能会捕获希格斯玻色子，找到超对称性的证据，确定暗物质的性质等等。
除了获得诺贝尔奖之外，希格斯玻色子的发现还将为物理学的一个辉煌时代画上句号。希格斯玻色子是标准模型中最后缺失的一块，标准模型是一个复杂的理论体系，它用17种基本粒子的相互作用来描述宇宙。它统一了自然界的四种力中的三种：强力（将原子核结合在一起）、弱力（负责粒子衰变）和更熟悉的电磁力。（引力是标准模型中唯一没有描述的力。）理论家们在近40年前完成了标准模型的最终润色，从那时起，它的每一个预测都得到了实验的证实。
1995年，CDF和D-Zero团队做出了最令人印象深刻的证实之一，他们发现了顶夸克——一种巨大的基本粒子，其存在最早在1973年就被预测到。在那场竞赛中，特万加速器击败了一个名为超级质子同步加速器的欧洲对撞机，该对撞机现在用于将粒子注入LHC。这是特万加速器最伟大的胜利，并确立了标准模型是对宇宙的极其精确的描述，至少在物理学家可以用他们最好的加速器探测到的能量范围内是如此。
2001年，经过五年的升级，世界上最好的加速器变得更好了。物理学家们希望，新的、改进的特万加速器不仅能发现希格斯玻色子——标准模型的最后一块未被发现的部分——还能揭示标准模型之外的新现象。尽管标准模型具有强大的预测能力，但物理学家们知道它不可能是对自然的完整描述。除了未能纳入引力之外，它还有两个明显的缺点。标准模型没有对暗物质做出任何解释，暗物质影响星系的运动，但似乎不与普通物质相互作用。它也未能解释暗能量，这是一种完全令人费解的现象，它似乎正在加速宇宙的膨胀。
但尽管进行了升级，特万加速器仍未能超越它曾壮观地验证过的理论。“十年前，我们预计能破解这个难题，但我们还没有做到，”费米实验室的理论物理学家鲍勃·奇尔哈特说。“那里存在着一个我们尚未发现的存在层面。标准模型在预测如此多的事物方面做得如此出色，但它却有如此明显的不足。它就像一个白痴天才。”
在某种意义上，特万加速器的遗产是标准模型真的、真的非常有效。这不是一个小成就，但它从来都不是最终目标。“我们本应肯定能找到希格斯玻色子，”斯蒂芬·姆雷纳说，他是一位计算物理学家，于20世纪90年代中期来到费米实验室。“如果存在超对称性，我们也应该能找到它。”
物理学家们现在希望LHC能够成功地弥补特万加速器的失败，带领他们进入新的领域，并提供线索，最终可能使他们能够取代标准模型。姆雷纳和他的大多数同事一样，认为LHC迟早会找到希格斯玻色子。“我认为它会在今年或明年发生。我会在那里下注，”他说。“如果我们找不到它，我对我找不到任何东西的信念会大大增加。”
这就是探索的问题：也许那里什么都没有。一些物理学家推测，在他们现在能够探测到的领域和真正的新物理学可能出现的领域之间，存在着一个“能量沙漠”。如果是这样，新的发现可能还需要几十年才能到来。LHC可能是有史以来建造的最强大的加速器，但它并没有强大到物理学家可以完全确定它将突破到另一个现实层面。
完成这项工作的真正工具是超导超级对撞机（SSC），这是一台周长54英里的机器，它将使LHC相形见绌。它本应能够产生能量几乎是LHC最大能量三倍的粒子束。但成本超支导致国会在1993年取消了这个项目，尽管在德克萨斯州沃克萨哈奇小镇附近的建设已经开始。“SSC从一开始就被设计成探测一个能量尺度，在这个尺度上，我们的预期是绝对、肯定地会有新的东西发生，”姆雷纳说。“它确实是应该建造的正确的对撞机。LHC是一个廉价的表亲。但现在它已经足够好了。”
当然，除非它不够好。姆雷纳说，如果LHC未能找到希格斯玻色子或做出其他重大发现，物理学家将很难证明更先进的加速器的成本是合理的。“你可以问，找到希格斯玻色子与美国经济或反恐战争有什么关系，或者其他什么，”他观察到，“现在我们通过说知识惠及每个人来过关。人们想知道宇宙是如何运作的。而且我们正在培养很多人，而且总是把周围最聪明的人聚集起来，给他们一个非常困难的问题，因为通常会有衍生品，这是一个好主意。但在某种程度上，物理学变得越来越不相关。”
换句话说，如果能量沙漠是真实存在的，我们可能无法鼓起勇气穿越它。“我实际上是SSC的遗老，”姆雷纳说。“我在它最后一年做博士后。从那时起，我就一直在等待它的替代品，在一个相当严峻的就业市场中生存下来。我们需要成功。我们需要找到新的东西。”
来世
世界上第一台粒子加速器是1929年由加州大学伯克利分校的物理学家欧内斯特·劳伦斯制造的。他称之为质子旋转木马。它直径五英寸，由青铜、封蜡和玻璃制成，可能花费了大约25美元。大约80年后启动的LHC耗资100亿美元。它的建设需要国际合作，覆盖面积相当于一个小镇。即使LHC非常成功，在可预见的未来，也不太可能出现类似的规模飞跃。
“我们知道如何将能量提高10倍，但那将花费10倍以上的成本，”费米实验室主任皮埃尔·奥多内说。“而且我们已经达到了各国愿意支出的极限。”
在未来十年及以后，美国首屈一指的物理设施将生活在LHC的阴影下。奥多内说，费米实验室将开展各种项目，如果特万加速器继续运行，这些项目可能会被推迟或取消，但很明显，世界粒子物理学的重心已经转移。“在理想的世界中，我们本可以在不关闭其他设施的情况下保持特万加速器的运行，”他说。“但资金不足。”费米实验室目前正在进行实验，通过从费米实验室的一个源头向明尼苏达州矿井中的探测器发射中微子，研究中微子的物理学——可能是所有基本粒子中最不为人所知的粒子，发射距离穿过450英里的地壳。费米实验室的科学家还将参与暗能量巡天项目，这是一项对暗能量性质进行天文调查的项目。
但压倒一切的机构目标是再次主办世界上最强大的粒子加速器。奥多内希望到2020年，实验室将完成一个名为X项目的加速器的建设。这个一英里长的机器的近期目的是为费米实验室的实验产生中微子和其他粒子。从长远来看，这个相对较小的加速器将作为一个技术试验台，这些技术有一天可能使建造LHC的经济型后继者成为可能。
“X项目是通往重返高能物理前沿的桥梁，”项目经理史蒂夫·霍姆斯说。“这是一个抓住领导地位并保持它的机会。当午餐时有人问我我们这里的未来是什么时，我说美国在过去70年中一直领导着世界高能物理学。这是物理学最基础的领域，作为一个伟大的国家，我们必须渴望做到这一点。我不能告诉他们的是我们何时会到达那里。”
我们可能还没有听到来自特万加速器本身的最后消息。丹尼索夫、罗瑟和他们在旧加速器的两个探测器中的同事已经收集了足够的数据，让他们在关闭后至少忙碌两年。大量的数据可能有助于充实LHC的初步发现。甚至有可能在费米实验室的某个硬盘驱动器中埋藏着一些新的结果，只是等待分析。今年春天的一段时间，看起来特万加速器可能已经给了我们超越标准模型物理学的第一个暗示。
4月，罗瑟的CDF团队宣布，他们在CDF收集的数据中发现了非常初步的证据，证明存在一种新的粒子或自然力。在少数但具有统计学意义的案例中，物理学家们在数据中发现了一个峰值，粒子数量超过了标准模型的预测。这些粒子似乎是某种更重粒子的衰变产物，可能是一种意想不到的希格斯玻色子形式。
到5月底，CDF团队再次分析了数据。“峰值仍然存在，”罗瑟当时说。然而，不到两周后，罗瑟的长期同事和竞争对手丹尼索夫表示，D-Zero团队已经完成了对CDF数据的独立分析。“我们什么都没看到，”他在新闻发布会上说。
目前尚不清楚峰值是否能在进一步的审查中幸存下来。两个小组现在正在比较他们的结果，看看CDF的分析可能在哪里出错——如果它真的出错了。目前，物理学的新时代似乎被搁置了，就像过去30多年一样。如果峰值消失了，那将是一种遗憾。发现希格斯玻色子本可以为特万加速器画上一个完美的句号。在接下来的一年左右，我们可能会发现LHC是否能做得更好。