大型强子对撞机的一次重大维护升级

编译 苦山

在阿尔卑斯山脉的地下深处，科学家们几乎无法抑制他们的兴奋之情。

他们交头接耳，谈论着那些将彻底改变我们对于宇宙之认识的发现。

“自从成为粒子物理学家以来，我一直在寻找第五种力，”山姆·哈珀博士（Sam Harper）说，“也许就是今年了。”

在过去的20年里，山姆一直在试图寻找第五种自然力存在的证据，此前，物理学家们已经发现了四种自然力：引力、电磁力和两种核力。

他把希望寄托在大型强子对撞机的重大维护升级上。这是世界上最先进的粒子加速器——这台巨大的机器通过使原子相互撞击将它们粉碎，以探究它们内部有什么。

经过三年的升级，对撞机的功能得到了进一步的提升。它的仪器更加灵敏，使得研究人员能够以更高的分辨率研究来自原子内部的粒子对撞；它的软件得到了改进，令它能够以每秒3 000万次的速度获取数据；它的粒子束更窄，这大大增加了对撞的次数。

这一切意味着，如今正是大型强子对撞机最有可能找到对科学界而言全新的亚原子粒子的时刻。人们希望它能有所发现，引发一百年以来最大的物理学革命。

研究人员不仅相信他们或许能发现全新的第五种自然力，还希望找到一种名为暗物质的不可见物质的存在证据，这种物质构成了宇宙的大部分。

这里的研究人员面临着交付成果的压力。许多人期望对撞机如今已找到了开拓物理学新领域的证据。

大型强子对撞机（LHC）是欧洲核子研究中心（CERN）的一部分，研究中心位于瑞士和法国的边境，就在日内瓦郊外。当人们走近时，它看上去像是一片不起眼的建筑群——由20世纪50年代的办公楼和宿舍组成，绵延散落在一片6.5平方公里的区域里，其间有修剪整齐的草坪和蜿蜒曲折的道路，这些道路均以著名物理学家的名字命名。

但是在地下100米处，它是一座科学的大教堂。我得以踏进大型强子对撞机的核心，进入其中一台巨型探测器，后者达成了我们这一代人最重大的发现之一：希格斯玻色子。如果没有这种亚原子粒子，我们所知道的许多其他粒子都不会拥有质量。超环面仪器长46米，高25米。它是大型强子对撞机用来分析由自身制造的粒子的四种仪器之一。

它由7 000吨金属、硅、电子器件和线路精密而精确地组装在一起。它是一件极为美丽的事物。伦敦玛丽皇后大学的玛塞拉·博纳博士（Marcella Bona）用“庄严宏伟”一词形容它。她是使用超环面仪器进行实验的科学家之一。

眼前的景象令我心生敬畏。玛塞拉告诉我探测器在对撞机停机的三年期间有了哪些改进。

“就我们实验的数据检测、收集和分析能力而言，将会提升两到三倍，”她对我说，“整条实验链已经升级。”

地下100米处的大型强子对撞机内部：我被带领参观一座“宏伟的科学大教堂”

超环面仪器由7 000吨金属、硅、电子器件和线路精密而精确地组装在一起。如今的它比以往任何时候都更加强大

对撞会产生向不同方向飞去的更小粒子。移动痕迹能告诉科学家它是什么类型的粒子

大型强子对撞机的磁铁组装区。它们已经经过了改进，能使粒子束更窄，从而增加对撞的次数

大型强子对撞机的设备更加灵敏，如今将提供高分辨率的对撞可视化图像，从而能够更好地探测新粒子

置身于工程师们为超环面仪器的翻新收尾而发出的叮当砰响声中，我发现自己很难想象我们需要用这么大的东西来探测比原子小很多倍的粒子。

大型强子对撞机有四个这样的探测器，每个探测器用于不同的实验。就在这些巨大探测器的正中央，在原子核中发现的、名为质子的粒子顺着27公里长的环形隧道被加速到接近光速，随即对撞。

对撞会产生向不同方向飞去的更小的粒子。它们的路径和能量由探测器系统进行追踪，正是这道痕迹告诉科学家它是什么类型的粒子，就像从动物的脚印确定其物种和特征一样。

几乎所有由对撞产生的较小粒子都已为科学所知。这里的物理学家们正在寻找的是新粒子的存在证据，这些新粒子可能由对撞产生，但被认为极其罕见。

物理学家们认为，正是这些未被发现的粒子，才是开启观察宇宙的全新视角的关键。他们的发现将创造自爱因斯坦的相对论以来物理学思想的最大转变。

过去三年里，工程师们一直在对大型强子对撞机进行升级，以便在更短的时间内制造更多次对撞。翻新过的机器有更大的机会产生、找到那些极少被制造出的新粒子。这项工作大部分是由罗德里·琼斯（Rhodri Jones）博士领导的，他有个好玩的头衔，叫作“粒子束首领”。

我在研究中心的磁铁组装区见到了罗德里，这片区域像一座巨大的飞机库。在这里，工程师们正在改进15米长的圆柱形磁铁，这种磁铁被置于加速器周围以弯曲粒子束。这是一项精密的工作，绝不容许犯错。

罗德里告诉我，他的团队已经使粒子束变窄，这样更多的粒子就被压缩到了更小的区域中。这大大增加了粒子相互对撞的概率。

“我们正在研究的是非常罕见的过程，因此对撞的次数越多，真正找到过程中具体细节、发现微小异常的机会就越大。”他说。

“粒子束的改进意味着，自大型强子对撞机投入运行以来，对于我们在过去十年里所做的所有物理研究，都能够在未来三年内得到与之相同的对撞数量。”

另一个重大改进发生在对对撞数据的捕获和处理方面。在经过翻新的大型强子对撞机中，四个探测器以每秒3 000万次的高速收集数据。这对于人类的大脑而言自然是难以承受的，但是任何一次对撞都可能包含着科学家们正在寻找的某种新粒子存在的关键证据。

大型强子对撞机的软件已进行了升级，可以自动搜索所有收集到的数据，并利用最新的人工智能技术识别和保存科学家可能会感兴趣的读数，以供分析。

当前的亚原子物理学理论被称为标准模型。尽管这个理论的名字缺乏想象力，但它却绝妙地解释了亚原子粒子如何聚集在一起、创造出了构成我们周围世界的原子。标准模型还解释了粒子如何通过自然力相互作用，例如电磁力和把原子的组成部分聚集在一起的核力。

但是，标准模型无法解释引力是如何运作的，也无法解释物理学家称之为暗物质和暗能量的、宇宙中不可见的部分是如何运作的。科学家们从太空中星系的运动得知了这些不可见粒子和力的存在，而它们加在一起占据了宇宙的95%。但是还没有人能够证明它们的存在并确定它们是什么。

建造大型强子对撞机正是为了探测这些粒子，它们或许可以解释宇宙中的大部分是如何运作的。玛塞拉·博纳博士告诉我，如今对撞机的升级使得此事真的有了可能。

“这真是一个令人兴奋的时刻，”她笑得灿烂，“过去三年，我们一直在更新机器。现在，我们准备好了。”

从我见到玛塞拉的那一刻起，她始终充满了激情。但当我问她，暗物质粒子的发现是否会成为物理学上最重大的发现之一时，她的热情更上了一层楼。

大型强子对撞机的软件已进行了升级，能够以每秒3 000万次的速度筛选数据

“我会说是的，”她哈哈笑着，睁大了眼，“是的，绝对的，那会是件棒极了的事。”她说着，放任自己暂时沉浸在未来数个月就能实现此事的前景中——这颇有可能。

山姆·哈珀博士也同样兴奋，这位科学家在过去的二十年里一直在寻找自然界的“第五种力”。他在对撞机四台粒子探测器中另一台名为紧凑μ子线圈（CMS）的机器工作，该探测器位于欧洲核子研究中心建筑群的另一端。

在大型强子对撞机关停升级之前，它和全球另外几台粒子加速器都已找到了第五种力的诱人迹象。但有了对撞机的额外功力，山姆告诉我，他的科学求索可能很快就要看到终点的曙光了。

和玛塞拉一样，当他大声说出那缺少坚实证据就不能在科学圈子里正式说出的话语时，声音中的兴奋愈发明显。

“这将颠覆整个领域。它将是大型强子对撞机最大的发现，也会是粒子物理学最大的发现，自从……自从……”

山姆停顿了一下，努力想找到合适的词。

“它会是比希格斯玻色子更大的发现。”

今年晚些时候，欧洲核子研究中心将庆祝希格斯玻色子被发现十周年。但是庆祝活动让人们注意到这样一个事实：自那以来，由政府出资36亿英镑建造、每年耗费11亿英镑的大型强子对撞机就再也没有什么重大发现了。许多人希望过——另一些人则期待过——时至今日，这最强大的粒子加速器理应已经发现了暗能量、第五种力或是其他足以转变范式的粒子。

研究人员在接下来数年中得到的结果极为重要，因为很快，欧洲核子研究中心就要提议建造一台更大型的强子对撞机。这一充满雄心壮志的计划被称为未来环形对撞机（FCC），它将拥有97公里的环形周长，位于日内瓦湖的地底。

这张计算机模拟图展示了遍布宇宙的暗物质。大型强子对撞机的研究人员希望能够真正地找到它

未来环形对撞机预计耗费200亿英镑。目前的机器至少还要运行10年时间，辅以数次升级，这些升级会给它更大的力量去尝试发现那些将永远改变物理学的粒子。但是欧洲核子研究中心的科学领导者们很快就要给出证据以争取下一阶段的粒子物理实验了。假如最新的升级措施未能在将来两到三年内找到任何新粒子的蛛丝马迹，那么要说服成员国政府承诺大幅增加资金将变得更加困难。

山姆·哈珀博士承认，当大型强子对撞机开始下一组实验时，他感到“有点害怕”。

“我们正在拼命地试图把事情都安排妥当，非常努力地确保我们不会错过任何可能的新的物理成分。因为世界上最糟糕的事情就是，新的物理成分的确存在，但我们却没找到它。”

然而，有一种情绪压倒了山姆的恐惧：那是对未来几年可能发生之事的强烈兴奋。

“驱使所有粒子物理学家的动力在于我们想要发现未知，这就是为什么诸如第五种力和暗物质这样的事物如此令人兴奋，因为我们不知道它们是什么、不知道它们是否存在，而我们真的想要找出答案。”

今年早些时候，费米国立加速器实验室的研究人员发现了标准模型中的第一道缺口（该实验室有着美国版的大型强子对撞机）。在接下来的数月和数年里，大型强子对撞机的研究人员将会寻求证据以证实他们的结果，并在现有理论中发现更多漏洞，直到它崩溃，并为一套新的、统一的、更完整的宇宙运行理论让路。

资料来源 BBC