在長達三年的小睡之后，世界上最大的粒子對撞機蘇醒了，準備幫助物理學家探索科學本身的最前沿，包括可能存在的神秘的第五自然力。

自 2007 年以來， Sam Harper一直是粒子物理學家和大型強子對撞機 CMS(緊湊介子螺線管)實驗的合作者。他說，過去三年對撞機的新升級現在有望讓科學家們走到發現發現的邊緣可以永遠改變我們對宇宙最小部分的理解。

“我們對跟進 [以前的] 異常情況感到非常興奮，”哈珀告訴Inverse。“[但是，]我們也很緊張要讓一切都正確。”

什么是大型強子對撞機?

LHC 位于法國和瑞士的邊界之間，是世界上最大(近 16 英里長)和最強大的粒子加速器。這個巨大的甜甜圈形對撞機使用超導磁體和質子束以極高的能量(例如 13.6 萬億電子伏特)將已知粒子粉碎在一起。

這個數字聽起來可能很大，但如果換算成更多的日常能量單位，如瓦特或焦耳，甚至不足以為 100 瓦的燈泡供電一小時(大型強子對撞機的能量大約相當于 2.18 10^-6 焦耳) ，而一個 100 瓦的燈泡需要 360,000 焦耳才能點亮一小時。)

但是不要以為你被迷惑了——對于像燈泡這樣相對較重的物體來說，這可能并沒有多少能量，但它可以將非常輕的粒子驅動到略低于光速的速度。

散布在環路周圍的探測器然后從這些碰撞中收集數據，以觀察粒子分裂成更小的碎片，從而揭示物理學中鮮為人知的領域。這些碎片可以包括夸克之類的東西，甚至是一類稱為玻色子的粒子。玻色子是包括光子在內的超輕粒子家族，它們負責在粒子之間產生力，包括強核力和弱核力以及電磁力。就著名的希格斯玻色子而言，它甚至負責賦予粒子質量。

除了把東西砸在一起帶來的興奮和好奇心之外，哈珀說科學家們使用 LHC 來探索粒子物理學最重要理論的有效性：標準模型。自 1970 年代發展以來，該理論描述了科學家觀察到的幾乎所有亞原子粒子的行為，但最近的發現使這種至高無上的地位受到質疑，包括 2022 年費米實驗室數據的發現，該發現表明存在某種玻色子，稱為 W 玻色子，可能比標準模型預測的重得多。

哈珀說，隨著大型強子對撞機的新升級，科學家們可能最終能夠解開這個謎團。如果 LHC 新的運行 3 中的數據觀察到標準模型未預測到的行為，這可能是一個跡象，表明存在標準模型尚不知道的力或粒子。

“瞧，新物理學發現了!” 哈珀說。

顯示檢測 W 玻色子的實驗。歐洲核子研究組織

大型強子對撞機為何停止運行?

過去，大型強子對撞機的運行一直是旁觀者擔心的主題，他們曾經擔心對撞機發生災難性事故會產生危險的黑洞(它不會有)，但懷疑者可以高枕無憂，因為知道對撞機的三個-年休息只不過是定期的升級和維護。

事實上，這不是第一次也不是最后一次發生這種關閉。根據運行時間表，大型強子對撞機計劃在 2030 年代再停產兩次。哈珀說，這些關閉的主要目的是逐步提升在對撞機內拋射的質子束的能量能力，以提高粒子碰撞在一起的機會。

“物理學家想要更多的碰撞 [and] 更多的碰撞，”哈珀說。“大型強子對撞機及其探測器正在升級，以提供和記錄盡可能多的數據，這讓 [for] 物理學家更快樂。”

LHC 上周發出了兩束測試光束，該團隊打算在今年夏天晚些時候開始為 Run 3 認真收集數據。除了沿途短暫的維護中斷外，哈珀說 Run 3 將持續到 2025 年底。

LHC 獲得了哪些升級?

在 2018 年底開始的最近一次關閉期間，大型強子對撞機獲得了兩項主要升級：

提高其儀器的能量能力，使研究人員能夠創造更多更快的碰撞

更靈敏的數據收集軟件，具有更高的捕獲率，以增加研究人員可以記錄和分析的碰撞次數

總之，這些升級應該會為探測器創造和記錄更多的碰撞。根據歐洲核子研究中心的說法，哈珀工作的探測器(CMS)應該期望“在這次物理運行期間觀察到比前兩次物理運行加起來更多的碰撞”。其他正在進行的實驗，包括 ATLAS、ALICE 和 LHCb，可能會看到高達以前數量的 50 倍的碰撞。