LHC的故事激动人心 充满曲折

北京时间1月2日，据外媒报道，早在2008年，世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)——发射了第一束质子束。十年后的今天，或许我们应该好好评价一下这个巨大设施所取得的成就以及未来的发展方向。

对LHC的评估包括未来可能的研究和可能建造的新实验设施，在这些设施中，内部碰撞的粒子可以达到比LHC高得多的能量。LHC可能已经有两三个可能的替代者。然后，让我们总结一下过去十年的成就和未来的目标。

LHC的故事激动人心，充满曲折。在运行的头几天，这台仪器的巨大磁铁遭受了灾难性的损坏。后来，它在这场悲剧中从凤凰涅槃中获得了一些令人兴奋和信服的发现，包括希格斯玻色子的发现。英国理论物理学家彼得彼得希格斯和比利时物理学家弗朗索瓦恩格勒因这一发现获得诺贝尔奖。他们在半个多世纪前就预言了这种粒子的存在。全世界的新闻媒体都在报道粒子物理的新闻，这是不可思议的，但是希格斯玻色子的发现做到了。

寻找新物理

物理学家同样紧张和兴奋，等待着他们想要的意外发现。近半个世纪以来，科学家对亚原子物质有了主流的理论认识。这种理解被称为粒子物理的标准模型。

这个模型解释了物理学家观察到的传统物质的分子和原子的行为，甚至是迄今为止观察到的最小的已知成分——。这些粒子被称为夸克和轻子，其中夸克存在于构成原子核的质子和中子内部；电子是最常见的轻子。该模型还解释了除重力以外的所有已知力的行为。这是一项了不起的科学成就。

然而，标准模型不能解释理论物理中的一切。它不能解释为什么夸克和轻子似乎存在于三个不同但几乎相同的类别中。这种分类叫做“代”。为什么是三代，不是二四代，也不是二十代？这个模型无法解释为什么我们的宇宙完全由物质组成。对爱因斯坦相对论最简单的理解已经指出，宇宙应该包含等量的反物质。

该模型无法解释为什么对宇宙的研究表明，由原子组成的常规物质只占宇宙物质和能量的5%，其余的被认为是由暗物质和暗能量组成的。暗物质是一种只受引力影响的物质形式，而不受其他基本相互作用的影响，而暗能量是一种充满宇宙的排斥引力形式。

在LHC第一次运行之前，一些物理学家希望原子轰击能够帮助解决这些令人困惑的问题。解决这些问题最常被引用的理论是超对称性。该理论指出，所有已知的亚原子粒子都有相应的“超对称”粒子。反过来，这些粒子可以为暗物质和其他谜题提供解释。然而，物理学家没有发现任何超对称性的证据。更重要的是，LHC数据排除了包含超对称性的最简单理论。那么，LHC取得了哪些成就？

硕果累累的LHC

除了希格斯玻色子，LHC还为4个大型实验合作项目提供了大量数据，产生了2000多篇科学论文。在LHC内部，粒子相互碰撞的能量是费米实验室的6.5倍。在此之前，兆电子伏特加速器是世界上运行能量最高的粒子对撞机，25年后，LHC终于取而代之。

这对标准模型的检验具有重要意义。任何测量结果都可能与预测不匹配，这可能会导致新的发现。然而，实验结果表明，标准模型是一个非常好的理论，它可以准确地预测LHC的碰撞能量，就像以前对兆电子伏加速器的预测一样。

那么，这是一个问题吗？说真的，答案是否定的，毕竟科学家更容易进行实验，拒绝错误的新想法，确认正确的想法同样重要。

另一方面，不可否认的是，当科学家们发现以前没有预料到的新现象时，他们会更加兴奋。这样的发现促进了人类知识的发展，最终甚至可能改写教科书。

故事还没有结束。

那么，现在情况如何？LHC告诉我们整个故事了吗？你不能这么说。事实上，研究人员期待着改进设备，这将有助于他们研究当前技术无法解决的问题。LHC于2018年12月初关闭，未来两年将进行改造和升级。2021年春季，加速器恢复运行时，虽然能量只是略微增加，但每秒钟的撞击次数会翻倍。考虑到未来的升级计划，LHC科学家目前只记录了3%的预期数据。尽管筛选所有测试结果需要很多年，但目前的计划是记录比迄今为止记录的数据多30倍的数据。如此大量的数据接连出现，LHC还有很多故事要讲。

尽管LHC可能会再竞选20年，但有理由问：“下一步是什么？”粒子物理学家正在考虑建立一个后续的粒子加速器来取代LHC。作为LHC的延续，一种可能性是使用难以置信的能量——10

0TeV，远高于LHC设计最高的14TeV——使质子碰撞。不过，达到如此惊人的能量需要做到两件事：首先，我们需要建造强度更大的磁体，要比LHC用来推动粒子的磁体强大两倍，这一点很有挑战性，但是应该可以实现;其次，我们需要建造另一条隧道，与LHC的隧道类似，但通道大3倍以上，其圆形隧道周长接近100公里，大约是LHC隧道的4倍。

但是，这条庞大的隧道将在哪里建造呢，它究竟会是什么样?有哪些粒子束会以怎样的能量碰撞?这些都是很好的问题。目前的设计和决策过程还无法给出答案，但有两个非常庞大而且成就很高的物理学家群体正在思考这些问题，他们各自提出了新加速器的设想。其中一个主要由欧洲的研究小组提出的方案是，希望建造一个另一个大型的加速器，地点很可能位于日内瓦郊外的欧洲核子中心(CERN)实验室。

研究人员的一个想法是，这个新加速器将使一束电子和反物质电子碰撞。由于质子束和电子束在加速时的差异——电子束会在圆形结构中比质子束失去更多的能量——这束电子将使用约98公里的隧道，但是会以比使用质子束时更低的能量。另一个建议是，还是用同样的98公里隧道来碰撞质子束。一个折中的建议是重新启用目前LHC的隧道，但使用更强大的磁体。这个选项虽然只是让LHC目前能达到的碰撞能量加倍，但却是一种成本较低的替代方案。

另外一个方案主要由中国科学家倡导，即建立一个全新的设施，地点可能在中国。这个加速器的隧道周长也将在98公里左右，而它将进行电子和反物质电子的碰撞，到2040年再转变为进行质子-质子碰撞。

目前这两个潜在方案还处于讨论阶段。最终，提出这些方案的科学家必须找到愿意为此提供资金支持的政府或团体。在此之前，科学家还需要确定建立新设施所需要的能力和技术。两个物理学家群体最近都发布了广泛和详细的文字材料，阐述了他们的设计。这些还不足以实现他们的设想，但已经足以比较未来预计的实验成果，并能开始整合出可靠的成本预测。

研究前沿知识是一项艰巨的任务，从梦想建造如此大规模的设施，到设施的最终关闭，其间可能要经历数十年。在我们纪念LHC第一束粒子撞击十周年之际，回顾成就并展望未来是很有必要的。随着技术发展，下一代科学家将会有更多的数据来获得更激动人心的发现，我们也将揭开大自然更多的迷人奥秘。