大型强子对撞机(LHC)是现代粒子物理学的一个奇迹，它使研究人员能够探测到现实世界的深处。它的起源可以追溯到1977年，根据物理学家托马斯•肖纳-萨迪尼乌斯(Thomas Schorner-Sadenius) 2015年发表的一篇历史论文，当时欧洲核子研究中心(CERN)前主任约翰•亚当斯爵士(Sir John Adams)建议建造一条地下隧道，以容纳能够达到超高能量的粒子加速器。

20年后的1997年，该项目正式获得批准，并开始建造一个16.5英里(27公里)长的环形轨道，该轨道经过法国和瑞士边境，能够将粒子加速到99.99%的光速，并将它们撞击粉碎在一起。

博科园-科学科普：在环内，9300个磁铁以每秒11245次的速度将带电粒子以两个相反的方向引导到一起，最终实现正面碰撞。该设备每秒能产生6亿次碰撞，释放出难以置信的能量，并且每隔一段时间，就会产生一种从未见过的奇异重粒子。大型强子对撞机运行能量是美国费米实验室退役泰的威顿（Tevatron）粒子加速器6.5倍，LHC的建造总共花费了80亿美元，其中5.31亿美元来自美国。来自60个不同国家的8000多名科学家参与了这项实验。加速器在2008年9月10日首次开启，仅在其原始设计强度的千万分之一时间内碰撞粒子。

世界上最大的粒子加速器，大型强子对撞机，在法国和瑞士的边界下形成了一个17英里(27公里)长的环。图片：Maximilien Brice/CERN

在它开始运作之前，一些人担心新的原子加速器会摧毁地球，也许会创造一个吞噬一切的黑洞。但任何著名的物理学家都会说这种担心是没有根据的。欧洲核子研究中心主任Robert Aymar说：LHC是安全的，任何认为它存在风险的说法都是虚构的。这并不是说，如果使用不当，该设施就不会产生潜在的危害。如果你把你的手插进光束中，它会把一艘航空母舰运动时的能量集中到一毫米以下，它会在光束中形成一个洞，然后隧道中的辐射会杀死你。

开创性的研究

在过去的10年里，大型强子对撞机为了两个主要的实验（ATLAS和CMS）将原子击碎在一起，这两个实验分别操作和分析它们的数据。这是为了确保两种合作都不会影响到对方，并且每一种合作都提供了对其姐妹实验的检查。这些仪器已经发表了2000多篇关于基本粒子物理学许多领域的科学论文。2012年7月4日，当LHC的研究人员宣布发现希格斯玻色子(Higgs boson)时，科学界屏息以待。希格斯玻色子是已有50年历史的物理学标准模型(Standard Model of physics)中的最后一块拼图。标准模型试图解释所有已知的粒子和力(除了重力)及其相互作用。早在1964年，英国物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)就写过一篇关于这种现在以他的名字命名的粒子论文，解释了质量是如何在宇宙中产生的。

这张大型强子对撞机的合成图像是由一位3D艺术家创作。电子束管用透明的电子管表示，反向旋转的质子束用红色和蓝色表示。图片：Daniel Dominguez/CERN

希格斯玻色子实际上是一个能渗透到所有空间的场，并拖曳着每一个穿过它的粒子。一些粒子在磁场中跋涉得更慢，这与它们的质量更大相对应。希格斯玻色子是这一领域的一种表现，物理学家们已经追求了半个世纪。LHC就是为了最终捕获这个难以捉摸的目标而建造。最终发现希格斯粒子的质量是质子的125倍，彼得·希格斯粒子和比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)因预测其存在而在2013年获得诺贝尔奖。即使有希格斯粒子在手，物理学家们也不能休息，因为标准模型仍然有一些洞。首先，它不涉及引力，而引力是爱因斯坦相对论的主要内容。它也没有解释为什么宇宙是由物质而不是反物质构成，反物质应该在时间之初以大致相等的数量被创造出来。

在暗物质和暗能量方面，它是完全沉默的，当它刚被创造出来的时候，还没有被发现。在大型强子对撞机启动之前，许多研究人员可能会说，下一个伟大的理论是超对称理论，它为所有已知的粒子增加了类似但质量大得多的双子星。这些重伙伴中的一个或多个可能是构成暗物质的粒子的完美候选者。超对称性开始解释重力，为什么它比其他三种基本力弱得多。在希格斯玻色子被发现之前，一些科学家希望这个玻色子最终会与标准模型预测的略有不同，这暗示着新的物理学。但是当希格斯粒子出现的时候，它是非常正常的，正好在标准模型所说的质量范围内。

虽然这对于标准模型来说是一个伟大的成就，但它却让物理学家们没有任何好的线索。一些人开始谈论“失去的几十年”，追寻那些表面上听起来不错，但似乎与实际观察不符的理论。许多人希望大型强子对撞机的下一次数据采集将有助于清理这一混乱局面。LHC于2018年12月关闭，进行为期两年的升级和维修。当它重新上线时，它将能够以每秒两倍的碰撞次数，以略微增加的能量粉碎原子。到时候它会发现什么，谁也说不准。人们已经在讨论用更强大的粒子加速器来取代它，它位于相同的区域，但体积是LHC的四倍。这一巨大的替代工程可能需要20年时间和270亿美元（1812.1亿元人民币）的建设资金。

博科园-科学科普｜参考期刊文献: 《高能物理》

文：Adam Mann, Live Science

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

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