大型强子对撞机十年：故事还未结束

北京时间1月2日消息，据国外媒体报道，早在2008年，世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机（LHC）——射出了第一道质子束。十年之后的今天，或许我们应该好好评估一下从这一庞大设施中获取的成果，以及它未来的发展方向。

对LHC的评估包括未来可能进行的研究，以及可能建造的新实验设施，在其内部碰撞的粒子能达到远高于LHC的能量。目前可能已经有两种或三种可能的LHC替代方案。那么，就让我们盘点一下十年来所达到的成就，以及未来的目标。

大型强子对撞机是世界上最大的粒子加速器设施，主要部分是位于法国和瑞士边界地下长度达27公里的圆形隧道。

LHC的故事既令人振奋又一波三折。在运行的最初几天里，这台仪器的巨大磁铁发生了灾难性的损坏；随后，它从这场悲剧中凤凰涅槃，获得了一些激动人心且颇有说服力的发现，包括希格斯玻色子的发现。英国理论物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）和比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒（Francois Englert）因为这一发现而获得了诺贝尔奖，他们在半个多世纪之前就预言了这种粒子的存在。让全世界的新闻媒体都报道粒子物理学的新闻是很不可思议的，但希格斯玻色子的发现做到了这一点。

寻找新物理学

物理学家同样既紧张又兴奋，都在等待他们希望得到的意外发现。在将近半个世纪的时间里，科学家已经对亚原子物质有了目前主流的理论理解。这种理解被称为粒子物理学的标准模型。

该模型解释了物理学家观察到的常规物质分子和原子——甚至迄今为止观察到的最小的已知构件——的行为。这些粒子被称为夸克和轻子，其中夸克存在于质子和中子内部，而质子和中子构成了原子核；电子则是最常见的轻子。标准模型还解释了除引力之外所有已知力的行为。这是相当了不起的科学成就。

然而，标准模型并不能解释理论物理学中的一切。它不能解释夸克和轻子为什么似乎能存在于三个不同的，但几乎相同的类别中。这种分类称为“代”（generation），为什么是三代，不是二代或四代，或20代？标准模型也不能解释为什么我们的宇宙完全由物质组成，对爱因斯坦的相对论最简单的理解已经指出，宇宙中应该包含等量的反物质。

标准模型不能解释为什么对宇宙的研究表明，由原子组成的常规物质只占宇宙物质和能量的5%，其余部分被认为由暗物质和暗能量组成。暗物质是一种只受到引力，而不受到其他基本相互作用影响的物质形式，而暗能量是一种充斥宇宙的排斥性引力形式。

在LHC的首次运行之前，一些物理学家希望通过对原子的轰击，可以帮助解答这些令人费解的问题。解决这些难题时最常被引用的理论是超对称。该理论指出，所有已知亚原子粒子都具有对应的“超对称”粒子。这些粒子反过来可以为暗物质和其他难题提供解释。然而，物理学家还未发现任何超对称的证据。更重要的是，LHC的数据已经排除了那些包含超对称性的最简单理论。那么，LHC取得了哪些成果？

硕果累累的LHC

除了希格斯玻色子外，LHC还为4个大型实验合作项目提供了大量数据，产生了超过2000篇科学论文。在LHC内部，粒子以高于费米实验室兆电子伏特加速器（Tevatron，又称为正负质子对撞机）6.5倍的能量相互碰撞。在此之前，兆电子伏特加速器曾是世界上运行能量最高的粒子对撞机，而在保持了25年之后，LHC终于取而代之。

对标准模型的试验具有重要意义。任何一个测量结果都可能与预测不吻合，而这就可能带来新的发现。然而，试验的结果显示，标准模型是一个非常好的理论，它可以对LHC的碰撞能量做出准确的预测，就像此前对兆电子伏特加速器所做的预测一样。

那么，这是一个问题吗？非常认真地说，答案是否定的。毕竟，科学家更多的是试验并拒绝错误的新想法，而确认正确的观点也同样重要。

另一方面，不能否认，科学家在发现此前未曾预计会出现的新现象时会更加兴奋。这类发现推动了人类的知识发展，最终甚至可能改写教科书。

故事还未结束

那么，现在是什么情况？LHC已经告诉我们全部的故事了吗？并不能这么说。事实上，研究人员期待着对设备的改进，这将有助于他们研究以目前技术还无法解决的问题。LHC在2018年12月初关闭，接下来两年将进行改造和升级。2021年春，当这台加速器恢复运行时，虽然能量只是略有提升，但每秒的撞击次数将加倍。考虑到未来计划中的升级，LHC的科学家目前仅记录了3%的预期数据。虽然筛选所有试验结果需要许多年时间，但目前的计划是记录比迄今为止所记录数据多30倍的数据。随着如此大量的数据陆续出现，LHC还有很多故事可以讲述。

虽然LHC可能还将运行20年，但现在也可以很合情合理地提问：“下一步是什么？”粒子物理学家正在考虑建造一个后续的粒子加速器来取代LHC。作为LHC的延续，一个可能性是以令人难以置信的能量——100TeV，远高于LHC设计最高的14TeV——使质子碰撞。不过，达到如此惊人的能量需要做到两件事：首先，我们需要建造强度更大的磁体，要比LHC用来推动粒子的磁体强大两倍，这一点很有挑战性，但是应该可以实现；其次，我们需要建造另一条隧道，与LHC的隧道类似，但通道大3倍以上，其圆形隧道周长接近100公里，大约是LHC隧道的4倍。

但是，这条庞大的隧道将在哪里建造呢，它究竟会是什么样？有哪些粒子束会以怎样的能量碰撞？这些都是很好的问题。目前的设计和决策过程还无法给出答案，但有两个非常庞大而且成就很高的物理学家群体正在思考这些问题，他们各自提出了新加速器的设想。其中一个主要由欧洲的研究小组提出的方案是，希望建造一个另一个大型的加速器，地点很可能位于日内瓦郊外的欧洲核子中心（CERN）实验室。

研究人员的一个想法是，这个新加速器将使一束电子和反物质电子碰撞。由于质子束和电子束在加速时的差异——电子束会在圆形结构中比质子束失去更多的能量——这束电子将使用约98公里的隧道，但是会以比使用质子束时更低的能量。另一个建议是，还是用同样的98公里隧道来碰撞质子束。一个折中的建议是重新启用目前LHC的隧道，但使用更强大的磁体。这个选项虽然只是让LHC目前能达到的碰撞能量加倍，但却是一种成本较低的替代方案。

另外一个方案主要由中国科学家倡导，即建立一个全新的设施，地点可能在中国。这个加速器的隧道周长也将在98公里左右，而它将进行电子和反物质电子的碰撞，到2040年再转变为进行质子-质子碰撞。

目前这两个潜在方案还处于讨论阶段。最终，提出这些方案的科学家必须找到愿意为此提供资金支持的政府或团体。在此之前，科学家还需要确定建立新设施所需要的能力和技术。两个物理学家群体最近都发布了广泛和详细的文字材料，阐述了他们的设计。这些还不足以实现他们的设想，但已经足以比较未来预计的实验成果，并能开始整合出可靠的成本预测。

研究前沿知识是一项艰巨的任务，从梦想建造如此大规模的设施，到设施的最终关闭，其间可能要经历数十年。在我们纪念LHC第一束粒子撞击十周年之际，回顾成就并展望未来是很有必要的。随着技术发展，下一代科学家将会有更多的数据来获得更激动人心的发现，我们也将揭开大自然更多的迷人奥秘。

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