這一粒子粉碎機再次啟動——點燃了可能找到反常結果的新希望。
在大型強子對撞機2018-22年關閉期間，ALICE實驗中的探測器進行了改造。
對新物理學的追尋再度開啟。世界上最強大的粉碎高能粒子機器，大型強子對撞機(LHC)，在關閉三年多后重新啟動。在日內瓦附近的歐洲核子研究中心CERN，質子束再次在其27公里的環路中呼嘯而過。7月，物理學家們啟動了實驗，觀察粒子束的對撞。
插圖：The Project Twins
在2009-13年和2015-18年的前兩個階段，LHC探索了現在已知的物理世界。所有這些工作——包括2012年希格斯玻色子的成功發現——再次確定了物理學家目前對塑造宇宙的粒子和力的最佳描述：標準模型。但是，科學家們篩選了以千兆計的高能對撞的碎片，還是沒有找到任何令人驚訝的新粒子或其他完全未知的東西的證據。
這一次可能會有所不同。迄今為止，LHC的建造成本為92億美元，其中包括最新的升級：第三版包含更多的數據、更好的探測器和尋找新物理的創新方法。更重要的是，科學家們會從一個誘人的反常結果清單(比上次運行開始時更多)開始，其中藏著尋找標準模型之外粒子的方向。
墨西哥普埃布拉功勛自治大學(BUAP)的粒子物理學家Isabel Pedraza說：“我們一開始就超級興奮。……我確定第3輪能看到點好東西。”
更高的能量和更多的數據
在對其粒子加速器進行改造后，第三版LHC將以13.6萬億電子伏特(TeV)的能量碰撞質子——略高于第2次運行，后者達到13TeV。CERN束管操作負責人Rende Steerenberg表示，能量更高的撞擊應該會增加對撞在高能區域產生粒子的可能性，一些理論認為這些區域可能存在新的物理現象。該機器的束管還將提供更致密的粒子束，從而增加對撞的可能性。這將使LHC能夠更長時間地保持其峰值對撞率，最終使實驗記錄下與前兩次運行總和那么多的數據。
為了應對粒子洪流，機器的檢測器——即傳感器層，用于捕獲從對撞中噴出的粒子并測量它們的能量、動量和其他特性——已經升級，以提高它們的效率和精確度(見“數據大增”)。
Nik Spencer/Nature;來源：CERN
LHC 研究人員面臨的一大挑戰，一直是能夠存儲的對撞數據太少。這臺機器中的粒子數每秒發生4000萬次對撞事件，每次質子-質子對撞，或“事件”，都會噴出數百個粒子。“觸發”系統必須篩出這些事件中最有意思的，丟掉大部分數據。例如，在CMS(LHC的四個主要實驗之一)中，硬件中內置的觸發系統根據對粒子能量等屬性的評估，每秒粗略篩選出約10萬個事件，然后軟件挑選出約1000個事件進行完整重建以供分析。
有了更多數據，觸發系統就必須對更多事件按性質分類。其中一項改進來自于最初為視頻游戲設計的芯片的試驗，稱為GPU(圖形處理單元)。與傳統處理器相比，這些處理器可以更快地重建粒子歷史，因此軟件將能夠更快地掃描以及每秒跨更多條件。這將使它有可能發現以前也許錯過了的奇怪對撞事件。
特別是，LHCb實驗改進了探測器設備，能僅使用軟件來掃描事件以尋找有趣的物理現象。整個實驗的改進意味著它在第三次運行中收集的數據應該是第二次運行中的四倍。伊雷娜·約里奧-居里實驗室的物理學家、LHCb實驗組成員Yasmine Amhis說，它“幾乎是個全新的探測器”。
LHCb的“頂點定位器”放置在LHC的束管附近，用來觀察短壽命粒子。來源：Maximilien Brice, Julien Marius Ordan/CERN
發現反常
ATLAS實驗的物理學家Ludovico Pontecorvo說，第三次運行還將使物理學家們更加精確地測量已知粒子(例如希格斯玻色子)。僅此一項就可能產生與已知物理學相沖突的結果——例如，當更精確地測量它，讓誤差線縮小到足以使其處于標準模型預測之外的程度。
但物理學家們也想知道最近的一系列奇怪結果是否是真正的反常現象，這可能有助于填補對理解宇宙的一些空白。標準模型是不完整的：例如它無法解釋暗物質等現象。在過去的兩年里，與模型相矛盾但又不足以被當作明確差異的情形，已經出現了很多次(見“新物理學的跡象?”)。
Nik Spencer/Nature;來源：CERN
最近一次異常出自位于費米國家加速器實驗室的Tevatron對撞機(關閉于2011年)。研究人員在過去十年中一直在研究Tevatron的CDF實驗的數據。4月份時，他們報道W玻色子(一種攜帶與放射性衰變有關的弱核力的基本粒子)的質量顯著高于標準模型的預測[1]。
這與LHC的數據不符：ATLAS和LHCb的測量結果與CDF的數據不一致，盡管前者的數據不太精確。CMS的物理學家現在正在使用機器第二次運行的數據進行自己的測量。第3輪的數據可以提供明確的答案，盡管不能立刻提供，因為W玻色子的質量出了名的難以測量。
B介子亂局
LHC的數據還有其他反常情況的跡象。特別是近十年來，關于B介子奇怪行為的證據不斷涌現。這些瞬態粒子會迅速衰變為其他粒子，之所以如此命名，是因為它們包含成對的基本粒子，其中包括“底(bottom)”夸克(或“美”夸克“beauty”quark，均為B開頭——譯注)。LHCb的分析表明，B介子衰變產生電子，往往比產生更重的電子近親μ子的幾率更高[2]。英國利物浦大學的粒子物理學家、LHCb組織的成員Tara Shears 說，標準模型預測大自然不應該偏愛其中任何一個粒子。“μ子的產生的頻率比電子少約15%，這可太奇怪了。”她說。
這個結果不同于標準模型的預測，顯著性約為3 sigma，即與預期值相差3個標準差——這意味著隨機噪聲有千分之三的可能產生明顯偏差。只有更多的數據才能確認這種影響究竟是真實的，還是統計上意外得之。Shears說，實驗科學家可能誤解了他們的數據或機器中的某些東西，但現在許多相關的LHCb探測器已被替換，下一階段的數據收集應該可以提供交叉檢查。“如果[反常現象]沒了，我們會很受挫。但科學家的生活就是這樣，這種事是會發生的。”
LHCb在其他涉及底夸克的衰變中看到了類似的細微差異，對這種異常現象提供了支持;日本和美國的對撞機實驗也看到了這種奇怪結果的跡象。這類工作是 LHCb的專長：它的探測器旨在詳細研究含有重夸克的粒子的衰變，從而使實驗能夠收集可能影響這些粒子行為的現象的間接線索。CMS和ATLAS是更通用的實驗，但那里的實驗人員現在正在檢查他們是否能發現更多對反常現象敏感的事件，瑞士蘇黎世大學的實驗粒子物理學家、CMS組織成員Florencia Canelli說。
尋找輕子夸克
CMS和ATLAS還要做LHCb無法做到的事情：梳理對撞數據，直接尋找理論界認為可能導致尚未證實的反常現象的奇異粒子。其中一種這樣的假設粒子被稱為輕子夸克(leptoquark)，因為它在高能狀態下會呈現出兩種截然不同粒子家族的特性——輕子，如電子和μ子，以及夸克(見“解碼衰變”)。這種混合粒子來自于尋求將電磁、弱和強基本力結合為同一種力的理論，并且可以解釋LHCb的結果。輕子夸克——或它的復雜版本——也符合另一個誘人的反常現象。去年，來自費米實驗室的μ子g - 2實驗的測量結果[3]表明μ子的磁性比預期的要強。
Nik Spencer/Nature
在3月份于意大利拉蒂勒舉行的Moriond粒子物理學會議上，CMS的研究人員展示了一項研究結果，該結果提出了超越標準模型的輕子的有趣線索。這種粒子會與輕子夸克發生相互作用，并被一些輕子夸克理論所預測。物理學家發現，所提出的輕子可能衰變成的粒子、底夸克和τ子(μ子的較重的近親)略微過量，但這一發現的顯著性僅為2.8 sigma。“這些都是非常令人興奮的結果，因為LHCb也看到了類似的現象。”Pedraza說。CMS的物理學家在會議上還提出了其他新現象的線索：兩種可能存在的粒子可能衰變為兩個τ子 ，以及一種潛在的高能粒子可以通過理論上存在的但未經證實的衰變路徑，變成獨特的粒子級聯，稱為噴柱。
另一個有趣的結果來自ATLAS，俄勒岡大學尤金分校的Ismet Siral和他的同事在尋找假設的、重而長壽的帶電粒子。在來自3年數據的數萬億次對撞中，他們發現了7個候選粒子，其能量約為1.4 TeV，大約是已知最重粒子能量的8倍[4]。這些結果為3.3 sigma，候選粒子的身份仍然是個謎。“我們不知道這是不是真的，我們需要更多數據。這就是第三次運行的用武之地。”Siral說。
CERN86米長的Linac4加速器，為大型強子對撞機產生質子束。來源：Robert Hradil, Monika Majer/ProStudio22.ch/CERN
另一項LHC實驗，ALICE，將探索它自己的驚人發現：鉛離子對撞所產生的極端條件(在不做質子對撞實驗時LHC對撞這些鉛離子)可能會在其他情況中出現。ALICE旨在研究夸克-膠子等離子體，這是一種由重離子碰撞產生的高熱致密的基本粒子湯，被認為存在于宇宙大爆炸剛剛發生之后。對前兩次運行的分析發現，質子-質子對撞和質子-鉛離子對撞中的粒子顯示出了這種物質狀態的一些特征，例如關聯而非隨機的路徑。“這是一個極為有趣、出乎意料的現象。”CERN的ALICE副發言人Barbara Erazmus說。
與LHCb一樣，ALICE也進行了重大升級，包括更新電子設備，從而為其提供更快的純軟件觸發系統。該實驗將探測等離子體的溫度以及精確測量包含粲夸克和底夸克的粒子，由于其探測器的改進，這次將能夠收集比前兩次運行多100倍的事件。
機器學習助力搜索
第三次運行還將進行全新的實驗。距離ATLAS半公里的FASER，將尋找輕的、參與弱相互作用的粒子，包括中微子和可以解釋暗物質的新現象。(這些粒子無法被ATLAS發現，因為它們會依靠近LHC束管的軌跡飛出對撞區，逃過探測器)。與此同時，ATLAS和CMS實驗現在已經改進了探測器，但在2026年的下一次長期關閉之前不會進行重大硬件升級。此時，LHC將進行大修以產生更集中的“高亮度”粒子束，這將持續到2029年(見“LHC時間表”)。這將讓科學家在后續運行中收集到的對撞數據，比第一至第三次運行總和多10倍。目前，CMS和ATLAS已經擁有原型技術來幫助他們做好準備。
Nik Spencer/Nature;來源：CERN
除了收集更多事件外，Siral等物理學家還熱衷于改變LHC實驗尋找粒子的方式。到目前為止，LHC的大部分研究都涉及檢驗特定的預測(例如尋找物理學家期望看到的希格斯粒子)或尋找新物理學的特定假設。
科學家們認為這會是個卓有成效的策略，因為能有很好的方向去找。許多人期望在LHC啟動后不久發現新的重粒子，例如一組被稱為超對稱的理論所預測的那些。除了最復雜的超對稱版本外，其他都未能排除。到今天，沒幾個標準模型的理論拓展比其他的看起來更正確些。
實驗人員現在正在轉向不受期望限制的搜索策略。例如，ATLAS和CMS都將尋找可以在兩次碰撞中徘徊的長壽命粒子。新的搜索策略，往往意味著要編寫拒絕通常假設的分析軟件，Siral說。
機器學習也可能有所幫助。許多LHC實驗已經使用這種技術來從背景噪聲中區分出特定的所需對撞。這是“監督式”學習：算法被賦予了一種尋找的模式。但研究人員越來越多地使用“無監督”機器學習算法，這些算法可以不加預期的前提下廣泛掃描異常情況。例如，神經網絡可以將事件與標準模型的學習模擬進行比較。如果模擬無法重現事件，那就是反常。雖然這種方法還沒有系統地使用，“但我確實認為這是人們將要研究的方向。”荷蘭拉德堡德奈梅亨大學的Sascha Caron說，他致力于將這些技術應用于ATLAS數據。
在減少搜索偏差的過程中，決定哪些事件值得關注的觸發器至關重要，因此新的 GPU將能夠以更廣泛的標準搜索候選事件。CMS還將使用一種稱為“偵察”的方法：分析最初選擇的但未詳細保存的所有100,000個左右的事件的粗略重建。CMS實驗的物理學家Andrea Massironi說：“這相當于讓你的探測器只用一年時間多跑了10年的工作。”
大型強子對撞機CMS實驗中的探測器，機器關閉期間的照片。來源：Samuel Joseph Hertzog, Julien Marius Ordan/CERN
觸發器本身也可能很快依靠機器學習來做出選擇。CERN的粒子物理學家Katya Govorkova和她的同事們提出了一種高速原理驗證算法，使用機器學習，根據對撞機中的每秒4000萬個事件與標準模型的吻合度，來選擇保存哪些事件[5]。在第三次運行中，研究人員計劃在CMS對撞中訓練和測試算法，以及實驗的傳統觸發器。Govorkova說，一個挑戰將是弄清如何分析算法標記為反常的事件，因為它還不能指出事件反常的確切原因。
Amhis說，物理學家必須保持開放的心態，這樣他們才可能會找到將他們引向標準模型之外理論的線索。盡管目前的反常現象令人興奮，但即使是有過去多次實驗發現的奇怪現象最終還是被證明是統計上的意外，收集到更多數據就會消失。“重要的是我們得繼續推動所有的物理項目，”她說。“就是不要把所有雞蛋都放在一個籃子里。”
