重启大型强子对撞机

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忘了希格斯粒子吧。现在，我们要去寻找现实的根源。在为期2年的改造之后， 大型强子对撞机将重新焕发活力，去探测那些更为另类的粒子。就像地平线上闪闪发光的海市蜃楼，这是一片把我们和希望之地隔开的巨大“沙漠”。在这片希望之地上充满了答案，在那里我们将获得对现实的物质世界的完全认识。

别做梦了：我们无法去往这个天堂。穿越“沙漠”的道路太过漫长而炎热，没有车能带我们去到那里。不过，物理学家的这一愿望正在得以实现：有一台机器刚刚从2年的沉睡中醒过来，它可以让我们迈出决定性的一步，甚至可能揭示出距离我们较近的答案。

它就是大型强子对撞机（LHC），坐落在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心。这台

威力最大的粒子对撞机因其在2 0 1 2年发现了希格斯玻色子而威名远播。现在，它将去探测标准模型中最后一片未知的区域，而我们目前有关物质及其相互作用的最好理论便是标准模型。

粒子物理学家用能量来进行度量。通过爱因斯坦著名的质能方程E = mc2，以高速相互

撞击的粒子会把它们的质量转化成巨大的能量，后者反过来会形成更大的其他质量粒子。

我们的宇宙始于一次高温高密的大爆炸，因此通过加速粒子获得的碰撞能量越高，我们

就越接近宇宙和物质本身的起源。

通过这一方式，LHC 以及此前的对撞机已让我们开始探测和研究标准模型。这个理论

描述了构成物质的基本粒子，即轻子和夸克，以及负责承载三种基本作用力――电磁力、

弱核力和强核力――的粒子。

这一理论至高无上的荣耀是希格斯玻色子。这个粒子代表了一种无处不在的无形实

体――希格斯场，正是与它的相互作用使得所有其他基本粒子获得了质量。对解释早期

宇宙中的一个关键时刻而言，希格斯玻色子是必不可少的。最初，电磁力和弱核力同属统

一的弱电力，直到在大爆炸后1 0-1 2秒希格斯场开启。它的出现打破了力的对称性，赋予承载基本作用力的粒子以不同的质量。自此，由无质量光子承载的电磁力可以作用于无穷远的距离，由大质量W 和Z 玻色子承载的弱核力则被限制在了亚原子的尺度上。

完整但不完全

早在1 9 6 4年，希格斯场的存在就已经被预言，但发现它需要达到LHC拥有的能量：质子之间迎头撞击产生8万亿电子伏特的能量。在当时，即便假设它确实存在，理论物理学家也不能确定希格斯玻色子的质量应该有多大。不过，这是个“旱涝保收”的局面：即使被证明仅仅是个数学幻象，它也将促使标准模型得到修改并从头再来。

最终，科学家发现这个难以捉摸的粒子具有1 2 5 0亿电子伏特的质量，处于LHC 的能

量范围之内。理论物理学家被证明是正确的。2 0 1 3年1 0月，希格斯玻色子理论的两位先驱弗朗索瓦・恩格勒和彼得・希格斯分享了当年的诺贝尔物理学奖。

不过，这里还有一个问题：虽然标准模型已经完整，但它是不完全的。这个理论并不包含暗物质。这是一个相当大的疏漏，毕竟根据对星系运动的观测，这些不可见的物质占

据了宇宙中所有物质质量的8 5%。它也没有告诉我们正常物质和反物质之间的微小不平

衡最终是如何让正常物质充满整个宇宙的。对宇宙中的第四种基本作用力引力，它更是保

持着沉默。

在更为技术的层面上，为了使其奏效，标准模型依赖于一系列任意的常数。希格斯玻

色子仅仅是一个例子，它的质量不过是标准模型无法预言的众多物理量之一，只能通过实

验来测定。这个模型还有一些让人不快的地方：它认为希格斯玻色子会与大质量粒子发生强烈的相互作用，使它获得高达至少1 08万亿电子伏特的能量。

绝大多数物理学家认为，标准模型只是一个更宏大理论的一部分，后者可以让我们统

一所有的基本作用力，并了解在所有能标下的物质。问题是，虽然精确的预言各不相同，但最合理的猜测是作用力的统一只出现在1 01 2万亿电子伏特及以上的能标下。它最后一次出现是在宇宙诞生后的一瞬间，即大爆炸之后1 0-3 6秒之内。

地球上没有任何加速器可以达到这么高的能量。因此，在我们和不可及的希望之地中间隔着一个巨大的“沙漠”，这使得LHC 即使能把碰撞能量升级到1 3万亿电子伏特也显得相当苍白。但事实并非如此。如果新一论中受青睐的候选者是正确的，那么我们即将步入的这一新疆域会包含新的粒子和现象，它们将帮助我们向最终的答案迈出决定性的一步。

受到垂青的是超对称理论。超对称理论问世于2 0世纪7 0年代，是第一个“大统一理

论”，把弱电和强核力综合了起来。为了做到这一点，它引入了一大批超粒子，每一种已知的粒子都具有一个质量更大的超对称伙伴粒子，这些伙伴粒子中的一些可能就位于LHC 可以探测的能标上。如果LHC 能发现新粒子的信号，那整个理论界都会为之疯狂。

最轻的超粒子不仅仅提供了一个极好的暗物质候选体，它们还能自然地消除麻烦的量

子涨落，使得希格斯玻色子的质量不至于失控。探测器很有可能看不到暗物质的超对称粒

子，但它们会在配平能量和动量时留下空缺。不过，在一般情况下，超对称粒子都会以可

预知的方式衰变成更轻的标准模型粒子，从而被探测到。

超对称理论受到理论物理学家的钟爱，所有人都渴望捕捉到它的一丝线索，因此在数

据分析的过程中需要格外小心，以防过度的热情影响到最后的判断。一旦科学家确信LHC 和分析软件可以平稳运行，其数据就会被“遮蔽”――在积累到足够的数据之前，用来分析数据的计算机不会输出任何计算结果，以免标准模型的过程被误读为新的现象。