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科學與生活
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”：
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？
一些人希望中國建環形粒子對撞機能找出新的粒子，如第四代誇克t'和b'等。
而反方不看好。
好文！ 博主似乎暗示這台高能對撞機與驗證超弦理論有關。但當今技術是根本無法達到直接測String 層次的能量級別的。似乎仍是誇克層次的作用？
“The electron beam will reveal the arrangement of the quarks and gluons that make up the protons and neutrons of nuclei. The force that holds quarks together, carried by the gluons, is the strongest force in Nature. The EIC will allow us to study this “strong nuclear force” and the role of gluons in the matter within and all around us.”