“超级机器”LHC检验粒子模型理论

世界上最大的粒子加速器LHC已经稳定运行了20年，这是迄今为止人类制造的最复杂的超大机器之一，粒子加速器LHC位于法国和瑞士的边界地带，埋藏在地下100米的深处，加速器洞体围成了周长达27公里的环圈。2008年9月10日，实验室的科学家第一次为加速器注入了取自于氢原子核中的质子，科学家欢欣鼓舞的心情仅持续了几天，2008年的9月22日，粒子加速器发生了一起故障，有50多块大磁铁受到损坏，加速器总共安装了6000块大磁铁，加速器磁场将质子束缚在圆形的管道之内，修复工程进行了一年多，2010年3月，粒子加速器LHC重新投入运行。

欧洲原子核研究中心（CERN）建造了一个最大的粒子物理实验室，欧洲在第二次世界大战结束之后设立了原子核研究中心，这个研究型组织设立的目的是重拾科学精神，在科学的指引下把分裂的欧洲重新聚合在一起，粒子加速器实验室是重建被战火蹂躏的欧洲的重大项目之一，投入的经费高达100亿欧元。粒子加速器实验室LHC在科学理念的指引下已转变为一个国际性的研究机构，全球六个大洲的100个国家派出了数千名科学家，超级实验室的运行和管理体现了国际科学合作精神。

人们一直对LHC的运动方式和超大规模感到好奇，加速器的基本原理是将经过加速的两束质子流以最高的能量进行碰撞。在周长27公里的环圈上设置了6个实验室，安置在地下洞穴的巨型探测器用于对质子碰撞之后留下的信息进行收集。欧洲原子能机构建造LHC的目的是通过实验手段揭示微观世界的奥秘。基本粒子是物质组成的基本材料，最基础性的科学问题是基本粒子的存在和它们的相互作用。LHC在过去近二十年取得的成就没有令人失望，科学家用庞然大物的超级机器发现了其中之一希格斯粒子，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，有两种理论解释了两种自然基本力，希格斯在将两种理论结合起来的基础上预言了希格斯粒子的存在。粒子加速器LHC有一个被称为紧凑型缪子螺旋管探测器（CMS）的实验室，目的是寻找理论预言中的希格斯粒子。粒子加速器LHC的一项最有意义的发现是希格斯粒子的“重见光明”，2012年7月4日，实验团队的科学家在欧洲原子能中心（CERN）公布了这项令人惊奇的发现，全球科学人士为之感到振奋无比。

在粒子物理标准模型的版图中，希格斯玻色子是最后一个被发现的粒子，补齐了标准版图中的最后一块拼图。物理学家用一个图谱样式表现了粒子物理的标准模型，覆盖了所有已知的17种基本粒子和三种自然基本力以及它们的相互作用，然而，万有引力没有纳入标准模型的版图，标准模型是一个多次得到实验证实的令人难以置信的相对完美理论，有6位科学家为希格斯粒子理论做出了主要的贡献，其中的两位科学家——弗朗索瓦·恩格勒特和彼得·希格斯由于希格斯玻色子的发现而获得了2013年的物理学诺贝尔奖。

科学家已经发现了希格斯粒子，他们仍在进行质子的粉碎性实验，很多希格斯粒子的属性问题有待深入的解释，仍然有很多粒子物理学的问题不能从标准模型的理论中找到回答，例如：天文学家在观测星系和大尺度的宇宙结构时发现，在宇宙中存在比观测到的物质多得多的物质，他们将看不见的物质称之为“暗物质”，有一种最常见的理论解释，暗物质由暗物质粒子组成，粒子加速器LHC的物理学家把希望寄托在实验手段上，发现它们的痕迹，研究它们的属性。2018年9月，在粒子加速器LHC的ATLAS和CMS实验室从事研究活动的科学家宣布了一项重大成果，第一次发现了希格斯粒子的衰变。

希格斯粒子衰变的发生有多种方式，有些衰变方式是科学家熟悉的或是常见的衰变，有些衰变方式是科学家不熟悉的或是不常见的衰变。从粒子物理的标准模型预测了希格斯粒子的衰变方式，关键是要用实验结果检验标准模型的预测，目前的检结果测显示，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是一个相当成功的理论。更多的宇宙谜团等待着学家的回答，物理学面临了一个接一个的难题，也许到了建立新物理学理论的时候，但很多问题至今没有取得令人满意的答案，

例如：在可观测的宇宙中，物质的数量远远超出了反物质的数量，引力是四种自然基本力中最弱的一种，它比其它三种自然基本力低出了若干个数量级。粒子加速器LHC的国际合作团队仍在继续检验粒子物理标准模型的有效性，将实验数据和理论的描述进行比较，可能出现不一样的情形，假如实验数据与理论的描述相互一致，这意味着存在科学家难以解释的神秘现象，粒子加速器LHC的未来目标是尽可能地发现科学家难以解释的实验数据。

数百个、甚至上千个新奇的理论预测了新物理学的产生，这些理论描述还没有得到天文和实验观测的证实，而物理实验是最好的检测手段。欧洲原子能中心（CERN）计划延长LHC的运行时间，至少将LHC的探测使命延长到2035年，实验室的科学家制定了加速器和探测器的更新换代计划，有些科学家在2035年已经退休了，但大型加速器LHC一直在“服役”。十年之前，LHC的科学家焦急地等待第一束质子在加速器“飞转”，LHC实验室的科学家不断挖掘大数据的“宝库”，从中寻找科学发现的各种途径。面对未来的十年，粒子加速器LHC的各国科学家将携手共进，在粒子物理学的领域取得更多的发现成果。

（编译：2021-1-7）