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大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)是現(xiàn)代粒子物理學(xué)的一個(gè)奇跡，它使研究人員能夠探測到現(xiàn)實(shí)世界的深處。它的起源可以追溯到1977年，根據(jù)物理學(xué)家托馬斯·肖納-薩迪尼烏斯(Thomas Schorner-Sadenius) 2015年發(fā)表的一篇?dú)v史論文，當(dāng)時(shí)歐洲核子研究中心(CERN)前主任約翰·亞當(dāng)斯爵士(Sir John Adams)建議建造一條地下隧道，以容納能夠達(dá)到超高能量的粒子加速器。20年后的1997年，該項(xiàng)目正式獲得批準(zhǔn)，并開始建造一個(gè)16.5英里(27公里)長的環(huán)形軌道，該軌道經(jīng)過法國和瑞士邊境，能夠?qū)⒘Ｗ蛹铀俚?9.99%的光速，并將它們撞擊粉碎在一起。

博科園-科學(xué)科普：在環(huán)內(nèi)，9300個(gè)磁鐵以每秒11245次的速度將帶電粒子以兩個(gè)相反的方向引導(dǎo)到一起，最終實(shí)現(xiàn)正面碰撞。該設(shè)備每秒能產(chǎn)生6億次碰撞，釋放出難以置信的能量，并且每隔一段時(shí)間，就會(huì)產(chǎn)生一種從未見過的奇異重粒子。大型強(qiáng)子對撞機(jī)運(yùn)行能量是美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室退役泰的威頓（Tevatron）粒子加速器6.5倍，LHC的建造總共花費(fèi)了80億美元，其中5.31億美元來自美國。來自60個(gè)不同國家的8000多名科學(xué)家參與了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。加速器在2008年9月10日首次開啟，僅在其原始設(shè)計(jì)強(qiáng)度的千萬分之一時(shí)間內(nèi)碰撞粒子。

世界上最大的粒子加速器，大型強(qiáng)子對撞機(jī)，在法國和瑞士的邊界下形成了一個(gè)17英里(27公里)長的環(huán)。圖片：Maximilien Brice/CERN

在它開始運(yùn)作之前，一些人擔(dān)心新的原子加速器會(huì)摧毀地球，也許會(huì)創(chuàng)造一個(gè)吞噬一切的黑洞。但任何著名的物理學(xué)家都會(huì)說這種擔(dān)心是沒有根據(jù)的。歐洲核子研究中心主任Robert Aymar說：LHC是安全的，任何認(rèn)為它存在風(fēng)險(xiǎn)的說法都是虛構(gòu)的。這并不是說，如果使用不當(dāng)，該設(shè)施就不會(huì)產(chǎn)生潛在的危害。如果你把你的手插進(jìn)光束中，它會(huì)把一艘航空母艦運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量集中到一毫米以下，它會(huì)在光束中形成一個(gè)洞，然后隧道中的輻射會(huì)殺死你。

開創(chuàng)性的研究

在過去的10年里，大型強(qiáng)子對撞機(jī)為了兩個(gè)主要的實(shí)驗(yàn)（ATLAS和CMS）將原子擊碎在一起，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別操作和分析它們的數(shù)據(jù)。這是為了確保兩種合作都不會(huì)影響到對方，并且每一種合作都提供了對其姐妹實(shí)驗(yàn)的檢查。這些儀器已經(jīng)發(fā)表了2000多篇關(guān)于基本粒子物理學(xué)許多領(lǐng)域的科學(xué)論文。2012年7月4日，當(dāng)LHC的研究人員宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子(Higgs boson)時(shí)，科學(xué)界屏息以待。希格斯玻色子是已有50年歷史的物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型(Standard Model of physics)中的最后一塊拼圖。標(biāo)準(zhǔn)模型試圖解釋所有已知的粒子和力(除了重力)及其相互作用。早在1964年，英國物理學(xué)家彼得·希格斯(Peter Higgs)就寫過一篇關(guān)于這種現(xiàn)在以他的名字命名的粒子論文，解釋了質(zhì)量是如何在宇宙中產(chǎn)生的。

這張大型強(qiáng)子對撞機(jī)的合成圖像是由一位3D藝術(shù)家創(chuàng)作。電子束管用透明的電子管表示，反向旋轉(zhuǎn)的質(zhì)子束用紅色和藍(lán)色表示。圖片：Daniel Dominguez/CERN

希格斯玻色子實(shí)際上是一個(gè)能滲透到所有空間的場，并拖曳著每一個(gè)穿過它的粒子。一些粒子在磁場中跋涉得更慢，這與它們的質(zhì)量更大相對應(yīng)。希格斯玻色子是這一領(lǐng)域的一種表現(xiàn)，物理學(xué)家們已經(jīng)追求了半個(gè)世紀(jì)。LHC就是為了最終捕獲這個(gè)難以捉摸的目標(biāo)而建造。最終發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的質(zhì)量是質(zhì)子的125倍，彼得·希格斯粒子和比利時(shí)理論物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)因預(yù)測其存在而在2013年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。即使有希格斯粒子在手，物理學(xué)家們也不能休息，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型仍然有一些洞。首先，它不涉及引力，而引力是愛因斯坦相對論的主要內(nèi)容。它也沒有解釋為什么宇宙是由物質(zhì)而不是反物質(zhì)構(gòu)成，反物質(zhì)應(yīng)該在時(shí)間之初以大致相等的數(shù)量被創(chuàng)造出來。

在暗物質(zhì)和暗能量方面，它是完全沉默的，當(dāng)它剛被創(chuàng)造出來的時(shí)候，還沒有被發(fā)現(xiàn)。在大型強(qiáng)子對撞機(jī)啟動(dòng)之前，許多研究人員可能會(huì)說，下一個(gè)偉大的理論是超對稱理論，它為所有已知的粒子增加了類似但質(zhì)量大得多的雙子星。這些重伙伴中的一個(gè)或多個(gè)可能是構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子的完美候選者。超對稱性開始解釋重力，為什么它比其他三種基本力弱得多。在希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)之前，一些科學(xué)家希望這個(gè)玻色子最終會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的略有不同，這暗示著新的物理學(xué)。但是當(dāng)希格斯粒子出現(xiàn)的時(shí)候，它是非常正常的，正好在標(biāo)準(zhǔn)模型所說的質(zhì)量范圍內(nèi)。

雖然這對于標(biāo)準(zhǔn)模型來說是一個(gè)偉大的成就，但它卻讓物理學(xué)家們沒有任何好的線索。一些人開始談?wù)摗笆サ膸资辍?，追尋那些表面上聽起來不錯(cuò)，但似乎與實(shí)際觀察不符的理論。許多人希望大型強(qiáng)子對撞機(jī)的下一次數(shù)據(jù)采集將有助于清理這一混亂局面。LHC于2018年12月關(guān)閉，進(jìn)行為期兩年的升級(jí)和維修。當(dāng)它重新上線時(shí)，它將能夠以每秒兩倍的碰撞次數(shù)，以略微增加的能量粉碎原子。到時(shí)候它會(huì)發(fā)現(xiàn)什么，誰也說不準(zhǔn)。人們已經(jīng)在討論用更強(qiáng)大的粒子加速器來取代它，它位于相同的區(qū)域，但體積是LHC的四倍。這一巨大的替代工程可能需要20年時(shí)間和270億美元（1812.1億元人民幣）的建設(shè)資金，所以你覺得再用20年花1812億元造對撞機(jī)值得嗎？

博科園-科學(xué)科普｜參考期刊文獻(xiàn): 《高能物理》

文：Adam Mann, Live Science

DOI: 10.1007/978-3-319-15001-7_1

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