大型強(qiáng)子對撞機(jī) LHC 發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子
世界上最強(qiáng)大的粒子加速器的地下環(huán)形隧道長 26.7 公里：位于日內(nèi)瓦歐洲核研究中心 CERN 的大型強(qiáng)子對撞機(jī) LHC。質(zhì)子在相互碰撞之前以幾乎光速穿過這個環(huán)形隧道。微型格式的巨大碰撞是故意的，因為這是形成新的揮發(fā)性粒子的唯一途徑。LHC 有幾個探測器可以用來研究這些粒子碰撞和由此產(chǎn)生的新粒子。希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)涉及兩個探測器：CMS 探測器和 ATLAS 探測器。
來自慕尼黑馬克斯普朗克物理研究所的 Sandra Kortner 于 2012 年領(lǐng)導(dǎo)了 ATLAS 探測器的研究小組，因此她是最早發(fā)現(xiàn)已經(jīng)進(jìn)行了多年的希格斯粒子搜索的人之一。成功加冕：“那是在一個星期天，六月的傍晚。我們正在等待最新的數(shù)字。當(dāng)我粗略地把它們加起來時，我立刻知道我們真的找到了希格斯粒子，”桑德拉說科特納。“我無言以對。首先我想慶祝，然后我無言以對，然后我只是感激。這個發(fā)現(xiàn)是我生命中的禮物。”
希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)是粒子物理學(xué)的勝利
當(dāng) 2012 年 7 月 4 日宣布發(fā)現(xiàn)希格斯粒子時，這對所有相關(guān)研究人員來說都是一次勝利。因為希格斯粒子——以物理學(xué)家彼得·希格斯命名，他在 1964 年與同事們一起在理論上首次描述了它——是所謂的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中仍然缺失的最后一個粒子。迄今為止已知的所有物質(zhì)都由該標(biāo)準(zhǔn)模型的 13 個基本粒子組成。電子和光子，即光粒子，也是基本粒子，并在此標(biāo)準(zhǔn)模型中表示。
作為基本粒子，希格斯粒子不能進(jìn)一步分解成更小的粒子。與電子或光子不同，它不會在野外發(fā)生。這就是為什么研究人員需要像大型強(qiáng)子對撞機(jī) LHC 這樣的巨大粒子加速器來產(chǎn)生它至少幾分之一秒的時間。盡管我們既看不到也感覺不到它，但它對物理學(xué)家起著重要作用：它的存在首先解釋了所有其他粒子如何獲得質(zhì)量。
歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)正在尋找未知
自從發(fā)現(xiàn)希格斯粒子后，研究人員就使用大型強(qiáng)子對撞機(jī)來更精確地測量希格斯粒子。通過從更多粒子碰撞中收集更多數(shù)據(jù)——從而從產(chǎn)生的更多希格斯玻色子中收集更多數(shù)據(jù)——他們一方面能夠確保他們確實找到了希格斯玻色子。例如，他們測量了它的自旋，一種內(nèi)在的角動量。他們觀察了希格斯粒子如何與其他粒子相互作用。到目前為止，所有的實驗結(jié)果都與標(biāo)準(zhǔn)模型的理論預(yù)測一致。
LHC 粒子加速器上的 ATLAS 探測器最近得到了改進(jìn)——但它現(xiàn)在并將仍然是最重要的一件事：巨大。 圖片版權(quán)：布萊斯，馬克西米連：歐洲核子研究中心然而，這只是慶祝的部分原因。因為大型強(qiáng)子對撞機(jī)現(xiàn)在有一個完全不同的目的，而不僅僅是越來越精確地測量希格斯粒子。“我們正在尋找大型強(qiáng)子對撞機(jī)的各種新物理。這意味著我們正在尋找不包含在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的新粒子，”慕尼黑馬克斯普朗克物理研究所的 Uli Haisch 說，并補(bǔ)充說：“不幸的是，到目前為止沒有成功。”
全世界的研究人員都在尋找新的物理學(xué)。因為粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型可以描述微觀世界，即最小的、奇妙的世界，包括希格斯粒子。但是，也有標(biāo)準(zhǔn)模型根本無法解釋的現(xiàn)象。
首先是暗物質(zhì)，通常給定形容詞“神秘的”。它之所以神秘，是因為沒有人知道暗物質(zhì)是什么，而且它不與其他粒子相互作用。這是不切實際的，因為研究人員幾乎可以肯定它們一定存在——這就是天文觀測所表明的。Uli Haisch 說：“老實說，你不得不承認(rèn)你對這種暗物質(zhì)一無所知。而且大型強(qiáng)子對撞機(jī)也很可能無法透露任何關(guān)于它的信息，例如因為它無法在全部。但你絕對可以找到它。
然后是更神秘的暗能量導(dǎo)致我們宇宙的膨脹繼續(xù)加速。標(biāo)準(zhǔn)模型也無法解釋為什么宇宙中的物質(zhì)多于反物質(zhì)。
因此，尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)在是大型強(qiáng)子對撞機(jī)的主要任務(wù)之一。在眾多實驗中，研究人員希望找到與他們的理論預(yù)測不符的東西。時不時地會有一些提示——例如目前在大型強(qiáng)子對撞機(jī)的六個實驗之一的大型強(qiáng)子對撞機(jī)實驗中。“這實際上是唯一一個有新物理學(xué)證據(jù)的實驗。觀察到的偏差與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測不符。”
然而，到目前為止，數(shù)據(jù)太稀疏了。新物理學(xué)的線索可能只是統(tǒng)計上的小問題。升級后，大型強(qiáng)子對撞機(jī)自 2022 年 4 月起再次運(yùn)行：質(zhì)子呼嘯而過，相互碰撞，產(chǎn)生大量粒子和大量數(shù)據(jù)。里面是否真的隱藏著什么意想不到的東西，還有待觀察。
