大型强子对撞机再次重启探索“第五种自然力”

北京时间 4 月 26 日消息，据国外媒体报道，4 月 22 日，大型强子对撞机（LHC）历经 3 年的维护和升级后再度重启，两束注入能量 450 GeV 的质子束在 27 公里长隧道内发射。

▲ 欧洲核子研究中心大型强子对撞机是世界上最强大的粒子加速器，2012 年发现希格斯玻色子，大型强子对撞机（LHC）历经 3 年的维护和升级后再度重启。

大型强子对撞机的工作原理是将原子粉碎，再将它们分离，寻找存在其中的亚原子粒子，观察亚原子粒子是如何相互作用的。2019 年，欧洲核子研究组织（CERN）关闭了大型强子对撞机，进行维修升级，提高仪器的灵敏度，使其更好地完成任务。

▲ 图中是大型强子对撞机实验状况，该对撞机的工作原理是将原子粉碎，再将它们分离，寻找存在其中的亚原子粒子，观察亚原子粒子是如何相互作用的。

这将使研究人员以更高分辨率观察原子内部 —— 每秒捕获数据 3000 万次，启动长度 27 公里的对撞机环状隧道是一个复杂过程，要求一切像“管弦乐队一样”完美协调工作，特别是受新冠疫情的特殊时期。

负责大型强子对撞机控制室操作的任德・斯特恩伯格（Rende Steerenberg）解释称，这不是简单地按下一个按钮，操作时会有紧张感和神经过敏，毕竟潜在着许多故障因素，例如：隧道里的障碍物和磁铁等问题。

目前粒子物理学家希望升级大型强子对撞机之后能有助于发现一种新的基本自然力，在四种基本自然力（引力、电磁力、强力和弱力）之外的一种新自然力，并有助于解释宇宙谜团。

研究人员称，另一个希望是，重启大型强子对撞机将有助于寻找神秘的暗物质，暗物质是宇宙非可见物质，构成了已知宇宙的大部分。

尽管大型强子对撞机已重新启动，但研究人员仍面临着潜在威胁，其中包括：隧道中可能存在障碍物，由于大型强子对撞机的 8 个组成部分现已被冷却至 1.9 开氏温度（相当于零下 271 摄氏度），容易导致材料收缩变形。同时，在大型强子对撞机隧道中，利用数千块磁铁将数十亿粒子集中在紧密的质子束难度较大。

斯特恩伯格称，大型强子对撞机的工作方式有点像“管弦乐器”，为了确保质子束在隧道中穿行，所有磁铁必须在正确时间发挥正确作用，完成正确的任务。4 月 22 日，粒子自 2018 年 12 月以来首次穿过 27 公里长的对撞机环状隧道，然而，大型强子对撞机需要 6-8 周才能达到全速，那时点质子碰撞将再次出现。

▲ 图中是美夸克实验 μ 介子系统部分。2021 年初，科学家利用大型强子对撞机进行了被称为“美夸克”的粒子衰变实验，结果显示“美夸克”粒子衰变成 μ 介子的频率比预测的低 15%。

欧洲核子研究中心质子束部主任罗德里・琼斯（Rhodri Jones）说：“这些质子束以注入能量的方式循环，并包含相对少量的质子，高强度、高能量碰撞还需要几个月的时间，但首个质子束释放代表着科学家经历长期封闭的艰辛努力后，大型强子对撞机成功重启。”

2010-2013 年，欧洲核子研究中心研究人员观测到的大型强子对撞实验证明了长期寻找希格斯玻色子的存在，以及与希格斯玻色子相连的能量场，科学家认为该粒子对 137 亿年前大爆炸后宇宙诞生过程至关重要。

然而，粒子物理学家仍有许多未解谜团需要探索发现，最新升级大型强子对撞机将比以往任何时候更深入地观察隐藏的量子领域。同时，通过理解暗物质，还可能有助于发现更多的宇宙秘密。

宇宙中的暗物质被认为是普通物质的 5 倍，但不吸收、反射和释放光，迄今为止科学家仍未探索到暗物质存在的确凿证据。斯特恩伯格说：“我们将大幅增加粒子碰撞次数，从而也将增大获得新发现的可能性，目前大型强子对撞机将处于操作状态，2025-2027 年将再次关闭。”

据悉，2008 年 9 月 10 日，大型强子对撞机首次投入使用，尽管有一些小故障，但它获得的发现都符合标准模型，这是粒子物理学的主导理论，是 20 世纪 70 年代发展起来的，但该理论并不完善，未能解释物理学的某些方面。大型强子对撞机收集的数据表明，粒子行为方式是标准模型无法解释的，标准模型也无法解释暗物质的存在。

2021 年初，科学家利用大型强子对撞机进行了被称为“美夸克”的粒子衰变实验，结果显示“美夸克”粒子衰变成 μ 介子的频率比预测的低 15%。这表明宇宙中有一个未知的因素发挥作用，许多人怀疑这是一种新的力量，研究小组计划在改进后的大型强子对撞机上使用更加灵敏的设备再次实验。

大多数物理学家认为，一定会有更多的宇宙元素亟待发现，而一种称为“美夸克”的基本粒子倍受科学家关注，它们或将提供可能存在其他宇宙成分的重要线索。美夸克，也被称为底夸克，夸克分为六种类型：上夸克（u）、下夸克（d）、奇夸克（s）、粲夸克（c）、底（夸克 b）、顶夸克（t）。美夸克较不稳定，其衰变方式可能会受到其他基本粒子或者力存在的强烈影响。

负责该项实验的英国伦敦帝国理工学院粒子物理学家米特什・帕特尔（Mitesh Patel）博士说：“如果我们证实了这一点，这将是一场从未见过的革命，肯定是我们有生之年的重大科学发现！”

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