“超级机器”LHC的过去和明天

世界上最大的粒子加速器LHC已稳定运行了十年，它是迄今为止人类制造的最复杂的超大机器之一，LHC位于法国和瑞士两国的边界地带，埋藏在地下100米的深处，超长的加速器围成了周长27公里的环圈。2008年9月10日，科研人员第一次为加速器注入了来源于氢原子核的质子，他们的兴高采烈心情持续了几天时间，2008年的9月22日，加速器出现了一起故障，50多块大磁铁在实验过程中受到损毁，而加速器一共安装了6000块大磁铁，加速器的磁场将质子束缚在圆形的管道。事故修复工程进行了一年多，2010年3月，LHC重新投入运行。

LHC是欧洲原子核研究中心（CERN）投资建造的一个粒子物理实验室，CERN是在第二次世界大战后设立的研究机构，成立这一机构的目的是为了在科学精神的指引下将战时分裂的欧洲重新团结在一起。作为重建被战火蹂躏的欧洲的一个重大基础科学项目，CERN投入了100亿欧元的建设费用。在科学理念的召唤下，现在的LHC已转变为一个国际性的科研机构，有来自全球6个大洲的100个国家的数千名科学家在“超级实验室”进行科学实验。

人们一直对LHC的超大规模和运作方式感到好奇，它的基本工作原理是将经过加速的两束质子流以最高能量进行碰撞。在周长27公里的环型圈内设置了6个实验室，建造在地下洞穴的巨型探测器用于收集质子在相互碰撞后留下的信息。建造LHC的目的是以实验手段揭示微观宇宙的奥秘。基本粒子是组成物质的“基础材料”，它们的存在和相互作用是最基础的科学问题。LHC在过去十年取得的成绩令人瞩目，科学家使用“庞然大物”的机器发现了希格斯粒子，它是科学家长期以来寻找的一种基本粒子。希格斯粒子的发现证实了英国科学家希格斯在1964年做出的一项预言，他当时把对自然基本力解释的两种理论很好地结合起来，从中预言了希格斯粒子的存在。

LHC的实验室之一是紧凑型缪子螺旋管探测器（CMS），实验室的目的就是寻找理论预言的希格斯粒子。LHC最有价值的发现是让希格斯粒子“重见光明”，2012年7月4日，科学家在CERN公布了令人惊讶的发现，全世界的科学人士欢欣鼓舞。在粒子物理的标准模型中，希格斯玻色子是最后一个被发现的粒子，它被称为粒子图谱中的最后一块“拼图”。粒子标准模型以一个图谱样式展现出来，图谱覆盖了所有已知的17种基本粒子、三种自然基本力以及它们的相互作用，但标准模型不能把引力纳入其中，得到广泛证实的标准模型是一个相当完美的理论，有6位科学家为希格斯粒子理论作出了主要的贡献，其中的两位由于希格斯玻色子的发现而获得了2013年的物理诺奖。

科学家已发现了希格斯粒子，为何还要继续开展质子粉碎的实验？有很多希格斯粒子属性的问题有待解答，而很多粒子物理的基本问题似乎超出了标准模型的范围，比如：天文学家在观测星系和大尺度宇宙结构时发现，在星系和宇宙的其它结构中有比观测到的物质更多的隐形物质，他们将看不见的物质称为“暗物质”，最常见的解释是暗物质由暗物质粒子组成。

LHC的物理学家希望以实验手段发现暗物质的痕迹，然后研究它们的属性。2018年9月，ATLAS和CMS实验室的科学家宣布了一项鼓舞人心的研究成果，他们第一次发现了以多种方式发生的希格斯粒子衰变，有些粒子的衰变方式是科学家熟悉的，这是常见的衰变方式；有些粒子的衰变方式是科学家不熟悉的、这是不常见的衰变方式。粒子物理标准模型成功地预测了希格希粒子所有的衰变方式，实验结果检验了标准模型的预测，目前的检测结果显示，标准模型对希格斯粒子衰变的预测是正确的，再次证明了粒子标准模型的科学性。

宇宙的很多谜团有待科学家的解答，他们以问题为导向建立了多种理学模型，很多科学问题至今没有得到令人满意的答案，比如：为什么在可观测宇宙中的物质数量远超反物质数量？引力在四种基本力中为何最弱？它比其它的三种自然基本力弱了若干个数量级。LHC的国际合作科学团队将继续检验粒子物理标准模型的有效性，希望看到实验数据符合理论的预期，也可能看到不一样的结果。当实验数据与理论描述不符合时，这意味着可能存在目前不能解释的物理现象，LHC的未来目标是尽可能地发现目前不能解释的实验数据。

成百上千的新奇理论预测了新物理学的出现，物理实验是对还未得到证实的理论的最好检验。CERN计划将LHC的运行时间延长，至少将LHC的探测使命延续到2035年，从现在到2035年，加速器和探测器的更新换代已被纳入计划，现在的一些科学家到那时将会退休，LHC却在“服役”。LHC的科学家在十年前焦急等待第一束质子在加速器管内“飞转”，他们现在忙于对实验大数据“宝库”的挖掘，从中寻找科学发现的路径。未来的二十年，LHC的国际科学家团队将携手合作，希望在粒子物理学领域获得更多的成果。

（编译：2019-1-7）