升级后的大型强子对撞机再次回归，以解答迄今为止最重大的问题

物理学的前沿是一束亚原子粒子，它在中欧的一条地下隧道中以接近光速的速度绕圈飞行。这束粒子与另一束以同样速度向相反方向飞驰的粒子相撞。碰撞产生了大量其他粒子，这些粒子在消失之前就被探测器捕获。

这是大型强子对撞机 (LHC) 的标准程序，该对撞机最近自 2018 年以来首次启动，其光束现在比以往任何时候都更强大。LHC 位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心 (CERN)，是世界上最大的粒子对撞机：一台庞大的机器，可以将亚原子粒子撞击在一起，让科学家观察喷涌而出的量子碎片喷泉。

对于物理实验来说，这似乎过于剧烈，但物理学家有充分的理由进行这种破坏。在这些碰撞中，物理学家可以剥开宇宙的层层外衣，看看是什么让它在最小的尺度上运转。

机器背后的物理学家

大型强子对撞机名称中的“大型”绝非夸张：该对撞机切割出一条长达17英里的磁环，完全位于地下，位于日内瓦郊区崎岖的法国和瑞士边界（欧洲核子研究中心总部所在地）两侧，穿过法国汝拉山东坡的阴影，再返回。

组装这样一个庞然大物需要时间。大型强子对撞机最初于 20 世纪 80 年代提出，并于 20 世纪 90 年代中期获得批准，历经十多年才建成，直到 2008 年光束首次启动。建设费用为 47.5 亿美元，大部分来自欧洲各国政府的金库。

LHC 消耗的电量足以为一座小城市供电。即使在进行当前升级之前，LHC 的实验每天也能产生 1PB 的数据，足以容纳 10,000 多部 4K 电影——这还是在 CERN 的计算机网络过滤掉多余数据之后。这些数据经过来自全球各个角落的数千名科学家的计算机，尽管世界上某些地方的数据表现优于其他地方。

[相关：世界上最大的粒子对撞机恢复运行]

物理学家们试图解答宇宙中最基本的问题，时间、金钱和人力不断投入到对撞机中。

例如，是什么导致质量存在？帮助回答这个问题是 LHC 迄今为止最受关注的成就之一。2012 年，LHC 科学家宣布发现了人们长期寻找的粒子，即希格斯玻色子。该玻色子是场的产物，当粒子与场相互作用时，这些粒子就会获得质量。

希格斯玻色子的发现是标准模型的最后一块砖。它是现代粒子物理学的核心，是一幅示意图，展示了大约十几个亚原子粒子，以及它们如何巧妙地组合在一起，形成我们所看到的宇宙。

但随着时间的推移，标准模型似乎越来越不足以回答基本问题。为什么宇宙中的物质比反物质多得多？是什么构成了我们宇宙中似乎看不见和看不见的巨大部分？为什么存在引力？答案绝非易事。

答案可能以尚未发现的粒子的形式出现。但到目前为止，即使是最强大的粒子对撞机也未能发现它们。“到目前为止，我们还没有在 LHC 上发现任何非标准模型粒子，”加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的粒子物理学家、LHC 合作者 Finn Rebassoo 说。

升级庞然大物

尽管 COVID-19 疫情扰乱了 LHC 的重新开放（原定于 2020 年开放），但自 2018 年以来，对撞机的管理员就没有闲着。作为一系列技术升级的一部分，他们增强了对撞机的光束，使其能量提高了约 5%。

这看起来似乎微不足道（与本世纪末计划进行的将增加碰撞次数的高亮度大型强子对撞机升级相比，这显然微不足道）。但科学家表示，这仍然会产生影响。

“这意味着产生有趣物理现象的可能性增加了，”长岛布鲁克海文国家实验室的粒子物理学家、LHC 合作者伊丽莎白·布罗斯特 (Elizabeth Brost) 表示。“我个人最喜欢的一个例子是，我们现在将获得 10% 以上的希格斯玻色子对事件。”

标准模型认为，希格斯玻色子成对出现的情况极其罕见——也许确实如此。但是，如果大型强子对撞机确实大量产生希格斯玻色子成对出现，则表明其中存在某种尚未发现的因素。

“这是一个双赢的局面：要么我们很快就能观察到希格斯对的产生，这意味着新的物理学，”布罗斯特说，“要么我们最终能够使用完整的 LHC 数据集来验证标准模型的预测。”

这些改进还提供了观察从未见过的事物的机会。“每增加一点，就为发现新现象提供了更多的可能性，”芝加哥郊区费米实验室的粒子物理学家、LHC 合作者 Bo Jayatilaka 说。

不久前，一个潜在的观测素材出现了——不是来自欧洲核子研究中心，而是来自芝加哥郊外费米实验室一台现已关闭的老旧加速器。研究人员仔细研究了旧数据，发现 W 玻色子（一种负责引起原子内部放射性衰变的粒子）的质量似乎比预期的要重。如果这是真的，它可能会彻底推翻标准模型。

当然，粒子物理学家想要确认这是真的。他们已经计划在欧洲核子研究中心重复 W 玻色子的测量，既使用过去实验收集的数据，也使用未来实验的新数据。

让 LHC 达到新发现的最大容量可能需要一些时间。“通常情况下，LHC 重新启动时会比较慢，这意味着第一年的数据量不如接下来几年那么多，”Rebassoo 说。而且，即使对它产生的数据进行分析也需要时间，即使对于在对撞机上工作的广大科学家来说也是如此。

但 Jayatilaka 推测，最早到 2023 年，我们就能看到结果——利用对撞机新发现的能量提升。