大型強子對撞機的內部，質子以299,792,455米/秒的速度相互通過，僅比光速低3米/秒。與大型強子對撞機一樣強大，被取消的SSC可能是其三倍，並且可能揭示了LHC無法進入的自然秘密。從根本上講，我們的宇宙是由什麼構成的？幾個世紀以來，這個問題推動了物理學的發展 即使我們取得了所有進步，我們仍然不知道這一切。雖然大型強子對撞機在本十年早些時候發現了希格斯玻色子並完成了標準模型，但我們所知的全套粒子僅佔宇宙總能量的5％。
我們不知道暗物質是什麼，但它的間接證據是壓倒性的。同樣處理暗能量。或者諸如為什麼基本粒子具有它們所具有的質量，或者為什麼中微子不是無質量的，或者為什麼我們的宇宙是由物質而不是反物質構成的問題。我們目前的工具和搜索沒有回答現代物理學的這些偉大的存在性難題。粒子物理學現在面臨著一個令人難以置信的困境：努力嘗試，或者放棄。
粒子物理學的標準模型考慮了四種力中的三種（除了重力），全部發現的粒子以及它們的所有相互作用。我們可以在地球上建造的是否有可以用碰撞器發現的額外粒子和/或相互作用是一個值得商榷的主題，但是如果我們探索已知的能量邊界，我們只會知道答案。我們所知道的粒子和相互作用都受到粒子物理學標準模型，重力，暗物質和暗能量的支配。然而，在粒子物理實驗中，僅重要的是標準模型。六個夸克，帶電子輕子和中微子，膠子，光子，規範玻色子和希格斯玻色子都是它所預測的，每個粒子不僅被發現，而且它們的性質已被測量。
因此，標準模型可能是其自身成功的犧牲品。每個粒子和反粒子的質量，自旋，壽命，相互作用強度和衰減比都已經過測量，並且它們在每個回合都符合標準模型的預測。關於我們的宇宙存在巨大的難題，粒子物理學沒有給出我們關於它們可能在何處或如何被解決的實驗指示。
標準模型的粒子和反粒子現在都被直接檢測到了，最後一次阻擋，希格斯玻色子，在本十年早些時候落入大型強子對撞機。所有這些粒子都可以在LHC能量下產生，並且粒子的質量導致基本常數，這對於完全描述它們是絕對必要的。這些粒子可以通過標準模型所依據的量子場理論的物理學來很好地描述，但它們並不像暗物質那樣描述一切。因此，假設建造一個優越的粒子對撞機將是一項徒勞無功的努力，這可能是誘人的。實際上，情況可能如此。粒子物理學的標準模型對粒子之間發生的耦合有明確的預測。雖然目前仍有許多參數尚未確定，但可以想像下一代碰撞機無法揭示新粒子。
最重的標準模型粒子是頂夸克，它可以產生大約180 GeV的能量。雖然大型強子對撞機能夠達到14 TeV的能量（約為創建頂夸克所需能量的80倍），但除非我們的能量超過1,000,000倍，否則可能無法找到任何新的粒子。這是許多人的極大恐懼：可能存在的所謂「能量沙漠」延伸了許多數量級。
在標準模型之外肯定存在新的物理學，但它可能不會出現，直到能量遠遠超過地面對撞機可能達到的能量。不過，無論這種情況是否真實，我們唯一知道的方法就是看。與此同時，使用未來的對撞機可以比任何其他工具更好地探索已知粒子的屬性。到目前為止，LHC未能揭示標準模型的已知粒子之外的任何東西。但是，除了我們目前探測的地方之外，還有可能存在適度規模的新物理。標準模型有許多理論上的擴展，它們非常通用，可以通過下一代對撞機檢測到與標準模型預測的偏差。
如果我們想知道宇宙的真相是什麼，我們必須要看，這意味著將現在的粒子物理學前沿推向未知領域。現在，社區正在多種方法之間進行辯論，每種方法各有利弊。然而，噩夢般的場景並不是我們看起來也不會發現任何東西。內鬥和缺乏統一將永遠毀滅實驗物理，我們根本不會得到下一代對撞機。
假設的新加速器，無論是長的線性加速器，還是居住在地球下方的大型隧道中的加速器，都可能使對先前和當前碰撞器可以實現的新粒子的敏感性相形見絀。即便如此，也無法保證我們會發現任何新的東西，但如果我們不嘗試，我們肯定會發現一些新的東西。當決定接下來要構建什麼對撞機時，有兩種通用方法：輕子對撞機（電子和正電子加速和碰撞）和質子對撞機（質子加速和碰撞）。輕子對撞機具有以下優點：
輕子是點粒子而非複合粒子的事實電子與正電子碰撞的100％能量可以轉化為新粒子的能量，信號乾淨，更容易提取，並且能量是可控的，這意味著我們可以選擇將能量調整到特定值並最大化創建特定粒子的機會。一般來說，輕子碰撞器非常適合精確研究，而且自從近20年前LEP投入使用以來，我們還沒有一個前沿的碰撞器。
在電子/正電子（輕子）碰撞器中的各種質心能量中，可以在顯式能量下達到各種希格斯生產機制。雖然圓形對撞機可以實現更大的碰撞率和W，Z，H和T粒子的生產率，但足夠長的線性對撞機可以想像達到更高的能量，使我們能夠探測圓形對撞機無法達到的希格斯生產機制。這是線性輕子碰撞者擁有的主要優勢; 如果它們只是低能耗（如提議的ILC），則沒有理由不循環。除非自然非常友好，否則輕微碰撞器將直接發現新粒子是不太可能的，但它可能是間接發現超出標準模型的粒子證據的最佳選擇。我們已經發現了像W和Z玻色子，希格斯玻色子和頂夸克這樣的粒子，但是輕子對撞機既可以通過各種通道大量生產它們。
我們創建的感興趣的事件越多，我們就可以越深入地探索標準模型。例如，大型強子對撞機將能夠判斷希格斯是否與標準模型一致地降低到大約1％的水平。在標準模型的一系列擴展中，預計會出現約0.1％的偏差，正確的未來輕子對撞機將為您提供最佳的物理限制。
觀察到的Higgs衰變通道與標準模型協議，包括ATLAS和CMS的最新數據。該協議令人震驚，同時令人沮喪。到2030年代，大型強子對撞機將擁有大約50倍的數據，但許多衰變通道的精度仍然只有幾個百分點。未來的對撞機可以將精度提高多個數量級，從而揭示潛在新粒子的存在。這些精確研究可能對我們尚未發現的粒子或相互作用的存在非常敏感。當我們創建一個粒子時，它具有一定的分支比率，或者它會以各種方式衰變的概率。標準模型對這些比率進行了明確的預測，因此如果我們創建了一百萬，十億或一萬億這樣的粒子，我們就可以將這些分支比率探測到前所未有的精度。
如果您想要更好的物理約束，則需要更多數據和更好的數據。不僅要考慮下一步應該確定哪種對撞機的技術因素，還要考慮在哪裡以及如何獲得最佳人員，最佳基礎設施和支持，以及在哪裡建立（或利用已有的）強大的實驗和理論物理學界。
線性輕子對撞機的想法在粒子物理學界被認為是探索LHC後物理學數十年的理想機器，但是假設大型強子對撞機會找到除希格斯以外的新粒子。如果我們想對標準模型粒子進行精確測試以間接搜索新物理，則線性對撞機可能是圓形輕子對撞機的劣質選項。輕子對撞機有兩個一般類別的建議：圓形對撞機和線性對撞機。直線對撞機很簡單：直線加速粒子並在中心碰撞它們。利用理想的加速器技術，11公裡長的線性對撞機可以達到380 GeV的能量：足以產生大量的W，Z，Higgs或頂部。使用29公裡的線性對撞機，你可以達到1.5 TeV的能量，50公裡的對撞機，3 TeV，雖然成本會隨著長度的增加而大大增加。
對於相同的能量，線性對撞機比圓形對撞機略貴，因為您可以挖掘較小的隧道以達到相同的能量，並且它們不會因同步輻射而遭受能量損失，從而使它們能夠達到更高的能量。然而，圓形對撞機提供了巨大的優勢：它們可以產生更多數量的粒子和碰撞。
未來的圓形對撞機是一項建議，為2030年代建造一個周長達100公裡的大型強子對撞機的繼任者：幾乎是現有地下隧道的四倍。利用當前的磁體技術，這將能夠產生輕子對撞機，其可以產生由先前和當前碰撞器產生的W，Z，H和T粒子數量的約10 ^ 4倍。雖然線性對撞機可能能夠產生10到100倍的碰撞，就像上一代輕子對撞機（如能量）一樣多，但圓形版本可以輕鬆超越：在所需的能量上產生10,000倍的碰撞創造Z玻色子。
儘管在產生希格斯粒子的相關能量下，圓形碰撞器的事件發生率明顯高於線性碰撞器，但它們開始在生產頂部夸克所需的能量上失去優勢，並且在線性碰撞器成為主導的情況下根本無法達到這一點。
因為在這些重粒子中發生的所有衰變和生產過程都會隨著碰撞次數或碰撞次數的平方根而變化，所以圓形對撞機有可能以多倍於線性對撞機的靈敏度探測物理。
許多輕子碰撞器的亮度（碰撞率的測量和人們可以進行的探測次數）作為質心碰撞能量的函數。請注意，紅色線是一個圓形對撞機選項，比線性版本提供更多的碰撞，但隨著能量的增加而變得不那麼優越。超過380 GeV，圓形對撞機無法到達，像CLIC這樣的線性對撞機是最優越的選擇。擬議的FCC-ee，或未來的圓形對撞機的輕子階段，將實際發現任何與W，Z，Higgs或頂夸克耦合的新粒子的間接證據，質量高達70 TeV：最大能量的五倍大型強子對撞機。
輕子對撞機的另一面是質子對撞機，它在這些高能量下基本上是一個膠子 - 膠子對撞機。這不可能是線性的; 它必須是循環的。
擬議的未來圓形對撞機（FCC）的規模與目前在歐洲核子研究中心和Tevatron的大型強子對撞機進行了比較，後者原先在費米實驗室運營。未來的圓形對撞機可能是迄今為止下一代對撞機最雄心勃勃的提議，包括輕子和質子選項作為其擬議科學計劃的各個階段。實際上只有一個合適的站點：CERN，因為它不僅需要一個新的巨大隧道，而且還需要前一階段的所有基礎設施，這些基礎設施只存在於歐洲核子研究中心。（它們可以在其他地方建造，就像在亞洲的一個地方一樣，但是成本會比像大型強子對撞機這樣的基礎設施和像SPS這樣的早期碰撞機已經存在的網站更昂貴。）
正如LHC目前佔據先前由LEP佔據的隧道一樣，圓形輕子對撞機可以被下一代圓形質子對撞機取代，例如所提出的FCC-pp。但是，你不能同時運行探測質子對撞機和精密輕子對撞機; 你必須退役一個完成另一個。
CERN的CMS探測器，是有史以來組裝的兩個最強大的粒子探測器之一。平均每25納秒，一個新的粒子束在該探測器的中心點發生碰撞。無論是輕子還是質子對撞機，下一代探測器都能夠比CMS或ATLAS探測器目前能夠記錄更多數據，更快，更高精度。做出正確的決定非常重要，因為我們不知道在已經探索過的邊界之外，自然界有什麼秘密。更高的能量釋放出新的直接發現的潛力，而更高的精確度和更大的統計數據可以為新物理的存在提供更強大的間接證據。
第一級線性對撞機的成本將在5到70億美元之間，包括隧道，而質子對撞機是LHC半徑的四倍，磁鐵強度是其兩倍，是碰撞率的10倍，而下一代計算和低溫技術可能總共花費高達220億美元，與大型強子對撞機相比，大型強子對撞機已經超過了Tevatron。如果我們在同一條隧道中一個接一個地建造圓形輕子和質子碰撞器，就可以節省一些錢，這實際上為大型強子對撞機在2030年代末完成後提供了實驗粒子物理學的未來。
標準模型粒子及其超對稱對應物。已經發現略低於50％的這些顆粒，只有超過50％的顆粒從未顯示它們存在的痕跡。超對稱是一種希望改進標準模型的想法，但它尚未成功地預測宇宙試圖取代流行的理論。然而，並沒有提出新的碰撞器來尋找超對稱或暗物質，而是進行通用搜索。無論他們發現什麼，我們都會學到關於宇宙本身的新知識。在所有這些中要記住的最重要的事情是，我們不僅僅是繼續尋找超標準，暗物質或標準模型的任何特定擴展。我們有一系列問題和難題，表明必須有超出我們目前所理解的新物理，我們的科學好奇心迫使我們去看。在選擇要構建的機器時，選擇性能最佳的機器至關重要：在我們對探測感興趣的能量上碰撞次數最多的機器。
無論社區選擇哪個具體項目，都會有權衡。線性輕子對撞機總能達到比圓形能量更高的能量，而圓形的對撞機可以始終產生更多的碰撞並達到更高的精度。它可以在十分之一的時間內收集儘可能多的數據，並以更低的能量消耗為代價探測更微妙的效果。
此圖顯示了標準模型的結構（以比基於4x4平方顆粒的更熟悉圖像更完整，更少誤導性顯示關鍵關係和模式的方式）。特別是，該圖描繪了標準模型中的所有粒子（包括它們的字母名稱，質量，旋轉，旋向性，電荷以及與規範玻色子的相互作用：即，具有強力和電弱力）。它還描述了希格斯玻色子的作用，以及電弱對稱性破壞的結構，表明希格斯真空期望值如何破壞電弱對稱性，以及剩餘粒子的性質如何隨之改變。請注意，Z玻色子與夸克和輕子耦合，並且可以通過中微子通道衰變。它會成功嗎？無論我們發現什麼，答案肯定是肯定的。在實驗物理學中，成功並不等於找到某些東西，正如有些人可能錯誤地相信的那樣。相反，成功意味著在進行實驗之前知道某些事情，實驗後，你不知道。為了超越目前已知的邊界，我們理想地想要一個輕子和質子對撞機，我們可以達到最高的能量和碰撞率。
毫無疑問，新技術和衍生產品將來自於接下來的碰撞器或碰撞器，但這並不是我們這樣做的原因。我們追隨大自然最深層的秘密，即使在大型強子對撞機結束後仍然難以捉摸的秘密。我們擁有技術能力，人員和專業知識，可以在我們的指尖輕鬆建立。我們所需要的只是政治和財政意志，作為一種文明，尋求關於自然的最終真理。