大型強子對撞機的一次重大維護升級

編譯 苦山

在阿爾卑斯山脈的地下深處，科學(xué)家們幾乎無法抑制他們的興奮之情。

他們交頭接耳，談?wù)撝切氐赘淖兾覀儗τ谟钪嬷J識的發(fā)現(xiàn)。

“自從成為粒子物理學(xué)家以來，我一直在尋找第五種力，”山姆·哈珀博士（Sam Harper）說，“也許就是今年了?！?/p>

在過去的20年里，山姆一直在試圖尋找第五種自然力存在的證據(jù)，此前，物理學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了四種自然力：引力、電磁力和兩種核力。

他把希望寄托在大型強子對撞機的重大維護升級上。這是世界上最先進的粒子加速器——這臺巨大的機器通過使原子相互撞擊將它們粉碎，以探究它們內(nèi)部有什么。

經(jīng)過三年的升級，對撞機的功能得到了進一步的提升。它的儀器更加靈敏，使得研究人員能夠以更高的分辨率研究來自原子內(nèi)部的粒子對撞；它的軟件得到了改進，令它能夠以每秒3 000萬次的速度獲取數(shù)據(jù)；它的粒子束更窄，這大大增加了對撞的次數(shù)。

這一切意味著，如今正是大型強子對撞機最有可能找到對科學(xué)界而言全新的亞原子粒子的時刻。人們希望它能有所發(fā)現(xiàn)，引發(fā)一百年以來最大的物理學(xué)革命。

研究人員不僅相信他們或許能發(fā)現(xiàn)全新的第五種自然力，還希望找到一種名為暗物質(zhì)的不可見物質(zhì)的存在證據(jù)，這種物質(zhì)構(gòu)成了宇宙的大部分。

這里的研究人員面臨著交付成果的壓力。許多人期望對撞機如今已找到了開拓物理學(xué)新領(lǐng)域的證據(jù)。

大型強子對撞機（LHC）是歐洲核子研究中心（CERN）的一部分，研究中心位于瑞士和法國的邊境，就在日內(nèi)瓦郊外。當人們走近時，它看上去像是一片不起眼的建筑群——由20世紀50年代的辦公樓和宿舍組成，綿延散落在一片6.5平方公里的區(qū)域里，其間有修剪整齊的草坪和蜿蜒曲折的道路，這些道路均以著名物理學(xué)家的名字命名。

但是在地下100米處，它是一座科學(xué)的大教堂。我得以踏進大型強子對撞機的核心，進入其中一臺巨型探測器，后者達成了我們這一代人最重大的發(fā)現(xiàn)之一：希格斯玻色子。如果沒有這種亞原子粒子，我們所知道的許多其他粒子都不會擁有質(zhì)量。超環(huán)面儀器長46米，高25米。它是大型強子對撞機用來分析由自身制造的粒子的四種儀器之一。

它由7 000噸金屬、硅、電子器件和線路精密而精確地組裝在一起。它是一件極為美麗的事物。倫敦瑪麗皇后大學(xué)的瑪塞拉·博納博士（Marcella Bona）用“莊嚴宏偉”一詞形容它。她是使用超環(huán)面儀器進行實驗的科學(xué)家之一。

眼前的景象令我心生敬畏?，斎嬖V我探測器在對撞機停機的三年期間有了哪些改進。

“就我們實驗的數(shù)據(jù)檢測、收集和分析能力而言，將會提升兩到三倍，”她對我說，“整條實驗鏈已經(jīng)升級?！?/p>

地下100米處的大型強子對撞機內(nèi)部：我被帶領(lǐng)參觀一座“宏偉的科學(xué)大教堂”

超環(huán)面儀器由7 000噸金屬、硅、電子器件和線路精密而精確地組裝在一起。如今的它比以往任何時候都更加強大

對撞會產(chǎn)生向不同方向飛去的更小粒子。移動痕跡能告訴科學(xué)家它是什么類型的粒子

大型強子對撞機的磁鐵組裝區(qū)。它們已經(jīng)經(jīng)過了改進，能使粒子束更窄，從而增加對撞的次數(shù)

大型強子對撞機的設(shè)備更加靈敏，如今將提供高分辨率的對撞可視化圖像，從而能夠更好地探測新粒子

置身于工程師們?yōu)槌h(huán)面儀器的翻新收尾而發(fā)出的叮當砰響聲中，我發(fā)現(xiàn)自己很難想象我們需要用這么大的東西來探測比原子小很多倍的粒子。

大型強子對撞機有四個這樣的探測器，每個探測器用于不同的實驗。就在這些巨大探測器的正中央，在原子核中發(fā)現(xiàn)的、名為質(zhì)子的粒子順著27公里長的環(huán)形隧道被加速到接近光速，隨即對撞。

對撞會產(chǎn)生向不同方向飛去的更小的粒子。它們的路徑和能量由探測器系統(tǒng)進行追蹤，正是這道痕跡告訴科學(xué)家它是什么類型的粒子，就像從動物的腳印確定其物種和特征一樣。

幾乎所有由對撞產(chǎn)生的較小粒子都已為科學(xué)所知。這里的物理學(xué)家們正在尋找的是新粒子的存在證據(jù)，這些新粒子可能由對撞產(chǎn)生，但被認為極其罕見。

物理學(xué)家們認為，正是這些未被發(fā)現(xiàn)的粒子，才是開啟觀察宇宙的全新視角的關(guān)鍵。他們的發(fā)現(xiàn)將創(chuàng)造自愛因斯坦的相對論以來物理學(xué)思想的最大轉(zhuǎn)變。

過去三年里，工程師們一直在對大型強子對撞機進行升級，以便在更短的時間內(nèi)制造更多次對撞。翻新過的機器有更大的機會產(chǎn)生、找到那些極少被制造出的新粒子。這項工作大部分是由羅德里·瓊斯（Rhodri Jones）博士領(lǐng)導(dǎo)的，他有個好玩的頭銜，叫作“粒子束首領(lǐng)”。

我在研究中心的磁鐵組裝區(qū)見到了羅德里，這片區(qū)域像一座巨大的飛機庫。在這里，工程師們正在改進15米長的圓柱形磁鐵，這種磁鐵被置于加速器周圍以彎曲粒子束。這是一項精密的工作，絕不容許犯錯。

羅德里告訴我，他的團隊已經(jīng)使粒子束變窄，這樣更多的粒子就被壓縮到了更小的區(qū)域中。這大大增加了粒子相互對撞的概率。

“我們正在研究的是非常罕見的過程，因此對撞的次數(shù)越多，真正找到過程中具體細節(jié)、發(fā)現(xiàn)微小異常的機會就越大?！彼f。

“粒子束的改進意味著，自大型強子對撞機投入運行以來，對于我們在過去十年里所做的所有物理研究，都能夠在未來三年內(nèi)得到與之相同的對撞數(shù)量?！?/p>

另一個重大改進發(fā)生在對對撞數(shù)據(jù)的捕獲和處理方面。在經(jīng)過翻新的大型強子對撞機中，四個探測器以每秒3 000萬次的高速收集數(shù)據(jù)。這對于人類的大腦而言自然是難以承受的，但是任何一次對撞都可能包含著科學(xué)家們正在尋找的某種新粒子存在的關(guān)鍵證據(jù)。

大型強子對撞機的軟件已進行了升級，可以自動搜索所有收集到的數(shù)據(jù)，并利用最新的人工智能技術(shù)識別和保存科學(xué)家可能會感興趣的讀數(shù)，以供分析。

當前的亞原子物理學(xué)理論被稱為標準模型。盡管這個理論的名字缺乏想象力，但它卻絕妙地解釋了亞原子粒子如何聚集在一起、創(chuàng)造出了構(gòu)成我們周圍世界的原子。標準模型還解釋了粒子如何通過自然力相互作用，例如電磁力和把原子的組成部分聚集在一起的核力。

但是，標準模型無法解釋引力是如何運作的，也無法解釋物理學(xué)家稱之為暗物質(zhì)和暗能量的、宇宙中不可見的部分是如何運作的?？茖W(xué)家們從太空中星系的運動得知了這些不可見粒子和力的存在，而它們加在一起占據(jù)了宇宙的95%。但是還沒有人能夠證明它們的存在并確定它們是什么。

建造大型強子對撞機正是為了探測這些粒子，它們或許可以解釋宇宙中的大部分是如何運作的?，斎げ┘{博士告訴我，如今對撞機的升級使得此事真的有了可能。

“這真是一個令人興奮的時刻，”她笑得燦爛，“過去三年，我們一直在更新機器?，F(xiàn)在，我們準備好了?！?/p>

從我見到瑪塞拉的那一刻起，她始終充滿了激情。但當我問她，暗物質(zhì)粒子的發(fā)現(xiàn)是否會成為物理學(xué)上最重大的發(fā)現(xiàn)之一時，她的熱情更上了一層樓。

大型強子對撞機的軟件已進行了升級，能夠以每秒3 000萬次的速度篩選數(shù)據(jù)

“我會說是的，”她哈哈笑著，睜大了眼，“是的，絕對的，那會是件棒極了的事?！彼f著，放任自己暫時沉浸在未來數(shù)個月就能實現(xiàn)此事的前景中——這頗有可能。

山姆·哈珀博士也同樣興奮，這位科學(xué)家在過去的二十年里一直在尋找自然界的“第五種力”。他在對撞機四臺粒子探測器中另一臺名為緊湊μ子線圈（CMS）的機器工作，該探測器位于歐洲核子研究中心建筑群的另一端。

在大型強子對撞機關(guān)停升級之前，它和全球另外幾臺粒子加速器都已找到了第五種力的誘人跡象。但有了對撞機的額外功力，山姆告訴我，他的科學(xué)求索可能很快就要看到終點的曙光了。

和瑪塞拉一樣，當他大聲說出那缺少堅實證據(jù)就不能在科學(xué)圈子里正式說出的話語時，聲音中的興奮愈發(fā)明顯。

“這將顛覆整個領(lǐng)域。它將是大型強子對撞機最大的發(fā)現(xiàn)，也會是粒子物理學(xué)最大的發(fā)現(xiàn)，自從……自從……”

山姆停頓了一下，努力想找到合適的詞。

“它會是比希格斯玻色子更大的發(fā)現(xiàn)。”

今年晚些時候，歐洲核子研究中心將慶祝希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)十周年。但是慶祝活動讓人們注意到這樣一個事實：自那以來，由政府出資36億英鎊建造、每年耗費11億英鎊的大型強子對撞機就再也沒有什么重大發(fā)現(xiàn)了。許多人希望過——另一些人則期待過——時至今日，這最強大的粒子加速器理應(yīng)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了暗能量、第五種力或是其他足以轉(zhuǎn)變范式的粒子。

研究人員在接下來數(shù)年中得到的結(jié)果極為重要，因為很快，歐洲核子研究中心就要提議建造一臺更大型的強子對撞機。這一充滿雄心壯志的計劃被稱為未來環(huán)形對撞機（FCC），它將擁有97公里的環(huán)形周長，位于日內(nèi)瓦湖的地底。

這張計算機模擬圖展示了遍布宇宙的暗物質(zhì)。大型強子對撞機的研究人員希望能夠真正地找到它

未來環(huán)形對撞機預(yù)計耗費200億英鎊。目前的機器至少還要運行10年時間，輔以數(shù)次升級，這些升級會給它更大的力量去嘗試發(fā)現(xiàn)那些將永遠改變物理學(xué)的粒子。但是歐洲核子研究中心的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)者們很快就要給出證據(jù)以爭取下一階段的粒子物理實驗了。假如最新的升級措施未能在將來兩到三年內(nèi)找到任何新粒子的蛛絲馬跡，那么要說服成員國政府承諾大幅增加資金將變得更加困難。

山姆·哈珀博士承認，當大型強子對撞機開始下一組實驗時，他感到“有點害怕”。

“我們正在拼命地試圖把事情都安排妥當，非常努力地確保我們不會錯過任何可能的新的物理成分。因為世界上最糟糕的事情就是，新的物理成分的確存在，但我們卻沒找到它?！?/p>

然而，有一種情緒壓倒了山姆的恐懼：那是對未來幾年可能發(fā)生之事的強烈興奮。

“驅(qū)使所有粒子物理學(xué)家的動力在于我們想要發(fā)現(xiàn)未知，這就是為什么諸如第五種力和暗物質(zhì)這樣的事物如此令人興奮，因為我們不知道它們是什么、不知道它們是否存在，而我們真的想要找出答案?！?/p>

今年早些時候，費米國立加速器實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)了標準模型中的第一道缺口（該實驗室有著美國版的大型強子對撞機）。在接下來的數(shù)月和數(shù)年里，大型強子對撞機的研究人員將會尋求證據(jù)以證實他們的結(jié)果，并在現(xiàn)有理論中發(fā)現(xiàn)更多漏洞，直到它崩潰，并為一套新的、統(tǒng)一的、更完整的宇宙運行理論讓路。

資料來源 BBC