上周四（1月9日）各種媒體紛紛報道美國能源部官員宣布，物理學家的下一個夢想有望在紐約實現：能源部將在布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory，BNL）建造新型電子-離子對撞機（Electron-Ion Collider，EIC），讓高能電子束衝撞質子，探究質子“內心”的奧秘。EIC的建造成本介於16億至26億美元之間，擬於2030年投入使用。
原子的組成
直到一百年多前哲學家一直認為原子（atom）是不可切分的粒子。但是：
1897年約瑟夫·湯姆孫（Joseph Thomson）發現了原子裏有帶負電的電子（electron），1906年他獲得諾貝爾物理學獎。
新西蘭物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）在實驗中發現某些放射性元素會放射出粒子而發生衰變，他將兩種不同的射線分別命名為 α 和 β 射線線，1908年他被授予的諾貝爾化學獎。同年盧瑟福同實驗助手漢斯·蓋革（Hans Geiger）用 α 粒子撞擊金箔發現相當可觀的散射。隨後盧瑟福指導蓋革和大學生歐內斯特·馬斯登（Ernest Marsden）繼續做 α 粒子撞擊金箔的實驗，根據這些實驗，盧瑟福1911年提出原子是有帶正電的原子核和外圈的電子雲組成。
1917年盧瑟福用 α 粒子撞擊氮氣時他的閃光探測器紀錄到氫核的跡象，1924年使用雲室（cloud chamber）證實了該實驗，盧瑟福認為實驗得到帶正電的的氫原子核為基礎粒子，定名為質子（proton）。
1931年英國物理學家約翰·考克饒夫（John Cockcroft）和愛爾蘭物理學家歐內斯特·沃爾頓（Ernest Walton）一同發明了粒子加速器，它采用二極管/電容器倍壓電路升高電壓的方式加速質子。在他倆的幫助下1932年詹姆斯·查德威克（James Chadwick）發現了中子（neutron），並於1935年獲得了諾貝爾物理學獎。他倆因開拓人工“撞開原子”的新篇章，共同獲得了1951年諾貝爾物理學獎。
至此，我們知道了原子是由質子、中子和電子組成。不過，物理學家又開始探索質子和中子是否由更小的粒子組成？
基本粒子
通過許多理論和實驗物理學家的不斷努力，特別是1954年楊振寧和博士生米爾斯一起提出著名的Yang-Mills非阿貝爾規範理論開始，科學家逐步完成了“粒子物理標準模型”(引自維基百科, Yinweichen製作)：
標準模型中的基本粒子分別是誇克（quark，圖中用紫色表示）有6種，每種又分成3個色（紅綠藍），分別叫紅上誇克、綠上誇克、藍上誇克、紅下誇克、...、藍底誇克等18種，每一種又有對應的反粒子，即反紅上誇克、...、反藍底誇克等18種。輕子（lepton，圖中用綠色表示）有6種，加上6種對應的反粒子，即電子和正電子（反電子，Positron）、...、τ中微子和反τ中微子共12種。右側紅色一列有膠子（gluon）8種，光子（Photon）1種，Z玻色子（boson）1種，W玻色子2種，再加上最右邊黃色的希格斯玻色子（Higgs boson）1種，所以基本粒子有（6 x 3 x 2）+（6 x 2）+（8 + 1 + 1 + 2）+ 1 = 61種。
這個標準模型預示著質子和中子可以被撞開，分成更小的基本粒子。就像用錘子砸開核桃才能看到其中的奧秘。
撞開它，有發現就得獎
現在來看看這個標準模型中基本粒子的發現過程：質量最輕粒子的最容易發現，不斷增加加速器的能級才能發現質量重的粒子；發現新粒子就可能得諾貝爾獎。
1955年，加州大學柏克萊分校物理學家埃米利奧·塞格雷（Emilio Segrè）和歐文·張伯倫（Owen Chamberlain）透過粒子加速器，而發現了質量為938.3 MeV的反質子，他們二人於1959年獲得諾貝爾物理學獎。
1956年，美國物理學家布魯斯·考克（Bruce Cork）在勞倫斯伯克利國家實驗室用質子和反質子碰撞發現了質量為939.6 MeV的反中子（antineutron）。
1956年小克萊德·科溫（Clyde Cowan Jr）和弗雷德裏克·萊因斯（Frederick Reines）等人共同發現了質量極小但不為0 的電中微子，1995年萊因斯獲諾貝爾物理學獎的一半，科溫已於1974年12月去世。
1967年，斯坦福直線加速器進行的的深度非彈性散射實驗中證實了質量為2.3MeV 的上誇克和質量為4.8 MeV 的下誇克存在。1968年斯坦福直線加速器證實質量為95MeV 的奇誇克存在。
1962年，美國物理學家利昂·萊德曼（Leon Lederman）發現了質量為105.66 MeV的 μ中微子，因此獲得1988年諾貝爾物理學獎。另外他1977年發現了質量為4.18 GeV的底誇克。
1974年，美國物理學家伯頓·裏克特（Burton Richter）帶領的斯坦福的SLAC國家加速器實驗室團隊發現一種新的次原子粒子，並命名為ψ介子；同一時期，由丁肇中領導的布魯克黑文國家實驗室也發現相同的新次原子粒子，並且命名為J介子。粲誇克和它的反粒子可以組成J/ψ介子。他倆1976年共同獲得諾貝爾物理學獎。
1975年，馬丁·佩爾（Martin Perl）發現質量為1.776 GeV的 τ子，獲1995年諾貝爾物理學獎的另一半。
1983年，意大利物理學家卡洛·魯比亞（Carlo Rubbia）和荷蘭物理學家蒙·範德梅爾（Simon van der Meer）在歐洲核子研究組織共同發現了質量為80.399 GeV的W玻色子及質量為91.1876 GeV的Z玻色子，因此獲得1984年諾貝爾物理學獎。
1973年小林誠和益川敏英預測存在頂誇克和底誇克，但由於粒子加速器能量不足隻能等待。1995年大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）的兩個團隊找到了質量為176 GeV的頂誇克。小林誠和益川敏英獲得了2008年的諾貝爾物理學獎。
費米實驗室在20世紀90年代啟動的DONUT（Direct Observation of the Nu Tau）實驗，專門用加速器檢測 τ中微子，2000年7月抓到了這個“標準模型”中的最後一個輕子。
2012年7月4日歐洲核子研究組織宣布大型強子對撞機的的緊湊μ子線圈（CMS）探測器發現質量為125.3 GeV的新玻色子，超環麵儀器（ATLAS）探測器發現質量為126.5 GeV的新玻色子。2013年3月14日正式確認新玻色子是希格斯玻色子。至此標準模型中的61種基本粒子全部找到。因此，預言家比利時理論物理學家弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）和英國理論物理學家彼得·希格斯（Peter Higgs）榮獲2013年諾貝爾物理學獎。
而發現膠子、上誇克、下誇克、奇誇克、頂誇克、希格斯玻色子是由實驗團隊多人完成，所以不能獲得諾貝爾獎。
到此為止，理論物理學家設計的“標準模型”所列粒子已全部發現。
注：1,000 eV = 1 KeV（千電子伏特），1,000 KeV = 1 MeV（百萬電子伏特），
1,000 MeV = 1 GeV（十億電子伏特），1,000 GeV = 1 TeV（萬億電子伏特）。
對撞機-加速器
1924年瑞典物理學家古斯塔夫·伊辛 (Gustav Ising)提出用高壓電加速粒子的設想。
1928年挪威物理學家Rolf Widerøe完成第一台直線加速器。
本文開頭提到的布魯克海文國家實驗室(BNL)1948年開始建造第一台質子同步加速器，是世界上首台將粒子加速到10億電子伏特級（GeV）的加速器。1953年建成時達到3.3GeV。
1966年斯坦福直線加速器開始運行，1972年建造了斯坦福正負電子非對稱環（SPEAR），後來又建造了兩台加速器，即正負電子工程（PEP）4.5 GeV和2008年10月斯坦福直線加速器（Stanford Linear Accelerator Center，SLAC）國家實驗室，可將電子加速到50 GeV，2017年預算3.83億美元。
1984年投資2.4億元RMB開建北京正負電子對撞機（Beijing Electron Positron Collider，BEPC）2×2.2 GeV。
歐洲大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）是現在世界上最大、能量最高的粒子加速器。可將兩束質子分別加速到14 TeV（14萬億電子伏特），耗資100億美元。
計劃中的中國環形粒子對撞機，對撞能級為 70 TeV，計劃耗資200億美元。
高能物理走向
一方認為需要建造更大的加速器，可能找到更多的粒子。
另一方認為說高能物理已走到盡頭：
楊振寧認為，“The party is over”（尋找基本粒子的盛宴已結束）。他是說由於“標準模型中基本粒子”的基本粒子均已找到，沒有必要花大錢高能量的對撞機-加速器了。楊振寧認為：“找超對稱粒子已經有很多年了，完全落空。今天希望用超大對撞機來找到超對稱粒子，隻是部分人的一個猜想。多數物理學家，包括我在內，認為超對稱粒子的存在隻是一個猜想，沒有任何實驗根據，希望用極大對撞機發現此猜想中的粒子更隻是猜想加猜想。”
來自台灣的王孟源（曾就讀與台灣清華大學物理係，後在哈佛大學取得物理學碩士及博士學位）曾寫過“高能物理的絕唱”等博客，他與楊振寧的看法相同。他認為丘成桐是超弦理論的參與者和支持者，自然支持搞高能量的對撞機-加速器以驗證超弦理論。
除了用對撞機了解微觀粒子，還有別的辦法嗎？
