對撞機的目的，是讓物理學家測試物理理論所預測的不同粒子，包括測量希格斯玻色子的性質、尋找由超對稱理論預測的大粒子、新粒子及其他未解決的問題。
回顧粒子加速器的程序，從1990年代的兆電子伏特加速器（tevatron）、2010年代的大型強子對撞機（large hadron collider，LHC），預計於2020年完工的高光度LHC（high-luminosity large hadron collider，HL-LHC），到未來可能出現的超高能量圓形對撞機（future circular collider，FCC）。這些高成本機器背後的物理動機，到底是什麼呢？
對撞機發現粒子的歷史
高能量對撞機在發現新粒子方面有著悠久的歷史，早在LHC之前，歐洲核子研究中心（Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire，CERN）的SppS對撞機（SppS collider）在1980年代發現W和Z玻色子後，奠定了粒子物理標準模型（standard model，SM）的基礎。實際上，標準模型由一組基本粒子、一組規範破色子及粒子之間的相互作用進行描述。一般而言，物質由費米子組成，而所有的費米子可以分為3代，每一代費米子似乎都是彼此重複。
所有的費米子都是在1970~1980年代被發現的，而物理學家也在1995年發現了頂夸克。儘管如此，質量的起源與其相關的弱CP對稱性破壞機制仍然未知，最簡單的選擇就是單個希格斯雙峰，其具有眞空期望值以打破電弱對稱性，並使規範玻色子和費米子獲得質量。
然而，在發現頂夸克的10多年後，科學家依舊沒有發現希格斯玻色子的任何蹤跡，在LHC開始之前，物理學家提出各種新模型，例如多維模型、超對稱模型和情景、小希格斯模型及複合希格斯模型等，每個模型在LHC都有非常有趣的預測，科學家希望在LHC的實驗中得到驗證。最終，LHC於2010年開始執行，然而，在2011年中期之前並沒有看到任何希格斯玻色子的跡象，這讓許多人對LHC產生許多疑慮。2011年底，透過超環面儀器和緊湊繆子線圈的實驗，找到一些標量玻色子的暗示，它們衰變成2個最明顯的訊號：4個帶電輕子與2個光子。
當時的結果與標準模型的預測有些不同，引發後續許多與標準模型希格斯玻色子不同的推測。直到2012年，當實驗積累了更多資料後，標準模型中的希格斯玻色子為實驗資料提供最佳的解釋。接下來幾年，實驗累積越來越多的資料，希格斯特性的精確測量時代就此展開，後續出現尋找電弱對稱破壞機制，並且搜尋新物理，幫助理論物理學家找到超出標準模型的新模型的方向。不過出乎意料的是，過去幾年沒有新物理產生的跡象，沒有出現超對稱性與重粒子，甚至新的相互作用也未出現，高能物理似乎進入一個沉寂的時期。然而，科學界需要新物理的跡象才能繼續前進，一些可能性包括以更高亮度運行當前的機器，或者構建更高能量對撞機。
未來的圓形對撞機
未來的對撞機設施需要很長時間進行討論和規劃、技術開發、物理動機及許多國家政府的大力支援。幾年前科學界開始談論未來的圓形對撞機，到目前為止有2個比較成熟的計劃：其一由中國提出，另一個則是歐洲核子研究中心。
上圖為Tevatron、LHC和FCC等對撞機大小的差異，其中Tevatron的周長為6。2公里，LHC的周長為27公里，將來的FCC的周長為90~100公里。對撞機的能量方面，從Tevatron的2兆電子伏特（TeV）增加7倍到LHC的13~14 TeV，再從LHC增加7倍到FCC的能量，FCC的能量估計為100 TeV，碰撞能量的巨大飛躍需要更強大的技術發展，並增強超導磁體。
未來的FCC可以理解為有2個主要階段：FCC-ee和FCC-PP。第一階段，FCC-ee代表碰撞能量從91。2到360 GeV電子-正電子對撞機。主要部分用作希格斯工廠執行在240 GeV，其中Z+希格斯玻色子橫截面很大，產生大量希格斯玻色子，因此可以對希格斯衰變模式進行精確測量。希格斯玻色子測量玻色子和費米子的耦合可以測試百分比水平。另一方面，FCC-PP將是FCC的第二階段，其在每個光束上將質子加速到50 TeV，因此在100 TeV下碰撞2個質子束，FCC-pp將成為發現電弱對稱性破壞的終極機器。
未來圓形電子正電子對撞機的物理動機
FCC-ee的目標在以碰撞能量91。2、161、240和350GeV執行，希望每年收集10^12個Z玻色子、10^8個W玻色子對、10^6個希格斯玻色子及10^5個頂夸克對，這些龐大的資料樣本可以測量標準模型引數，達到無與倫比的精度。FCC-ee將能夠間接發現耦合到希格斯和電弱玻色子的新粒子。91。2和161 GeV的測量是藉由大型電子正子對撞機（Large Electron-Positron Collider，LEP）完成，但現在玻色子數量級已增加數個數量級，人們可以確定Z和W玻色子的耦合精度幾乎高出100倍。主要目標是測量希格斯與費米子和規範玻色子的耦合，這將是自大型強子對撞機以來的巨大改進。
未來的圓形質子對撞機的物理動機
目前的LHC可探測1 TeV的物理特性，而100 TeV機器則可探測10 TeV的物理特性，此10倍的改進可以幫助科學家探測更短距離的物理，例如100 TeV的機器就有機會進入夸克的內部結構。100 TeV的質子對撞機被認為是人類有能力建造的下一個超級機器，將為許多理論問題提供最終答案，包括質量起源、電弱對稱破缺、電弱相變及尋找暗物質和其他奇異物理。
在大型強子對撞機上發現的希格斯玻色子引領人們進入探索電弱對稱性破缺的新領域。希格斯玻色子的質量不受任何已知對稱性的保護，因此只有一個希格斯玻色子的標準模型並不能作為最終理論。這種自然性的考量導致科學家相信新物理應出現在1~10 TeV範圍內。100TeV對撞機可探測的能量範圍，為理解電弱對稱性破壞和希格斯粒子內部結構提供最終答案。在100TeV機器上可以成功實驗出LHC無法達成的目標。
結語
大型強子對撞機仍然在尋找超對稱粒子，但目前尚未取得關鍵性的成果。100 TeV機器將是弱尺度超對稱的最終判定。100 TeV對撞機或許能回答許多其他問題，包括暗物質、早期宇由中的電弱相變、尋找大統一理論等，甚至是科學家從未想過的新發現，或許未來圓形對撞機將成為科學家的夢想機器