为什么说大型强子对撞机在无形地推动物理学发展？
大约7年前，马萨诸塞大学的物理学家Stephane Willocq着迷于一套理论，该理论预言了隐藏在经典四维时空中的蜷缩额外维度的存在。额外空间维度的概念很吸引人，因为它允许我们从不同的角度来看待粒子物理学中的基本问题。作为一名实验物理学家，Willocq能做的不仅仅是思考。在欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）中进行的阿特拉斯（ATLAS）实验期间，Willocq对自己钟爱的理论进行了检验。额外空间的测试根据该理论的预言，蜷缩的额外维度将影响大型强子对撞机中质子与质子碰撞的结果。理论上，碰撞将产生比预期更多的高能粒子。然而，经过几次搜索，Willocq没有发现任何异常。Willocq表示，这是一个伟大的想法，但令人失望的是，它一点一点地消失了。但这就是科学进步的工作原理——通过消除的过程找到正确的想法。大型强子对撞机是目前最为强大的粒子加速器，它的最重要成就是发现了希格斯玻色子。除此之外，物理学家一直把大型强子对撞机当做一个同样重要的科学探索：测试、限制和消除数以百计的物理学理论，例如，为什么引力远远弱于其他已知的基本力。Willocq表示，只有一个正确的理论，只是我们还没有找到它。现在，物理学家已经完成了大型强子对撞机的第二轮运行，这已经覆盖了大量的领域，消除了众多物理学理论中的最简单版本。它们覆盖的相空间是之前寻找重粒子的四倍，并对物理上的可能性设置了严格的限制。这些研究并没有像希格斯玻色子那样得到同样的关注，但是这些无效的结果——这些结果并不支持某种理论假说——也推动了物理学的发展。一个意想不到的信号在找到了最明显的线索之后，物理学家目前正在调整他们的方法，并在追求新物理学的过程中考虑新的可能性。迄今为止，物理学家经常使用一套简单的公式来寻找新粒子。在粒子碰撞中产生的大量粒子几乎会立即衰变，变成更稳定的粒子。如果物理学家能测量所有这些粒子，他们就能重建产生这些粒子的原始粒子的质量和性质。在1995年，物理学家发现了夸克。在2012年，又发现了希格斯玻色子。但寻找下一个新事物，可能需要不同的策略。威斯康星大学CMS实验的物理学家Tulika Bose表示，发现新的物理现象比我们预想的更具挑战性，这会让物理学家迸发出新的灵感。一种观点认为，也许物理学家太过专注于瞬间衰变的粒子，以至于他们错过了大量的粒子，而这些粒子在衰变前可以移动数米。物理学家正在重新思考如何重建这些数据，以构建一个更大的网络，并有可能捕捉到具有这些特征的粒子。Bose表示，如果我们只使用现有的标准分析方法，我们肯定不会对新粒子敏感，我们需要探索创新的方法。精确测量由于从质子碰撞中还没有找到额外空间维度的证据，Willocq决定在实验中使用另一种方法：精确测量。模型还可以预测粒子的性质，例如，它们衰变为一组粒子与另一组粒子的频率。如果精确的测量结果与粒子物理标准模型的预测有偏差，这就意味着有新的东西在起作用。一些新的物理模型预测了罕见亚原子过程的增强速率，只是它们的速率如此之低，以至于物理学家还无法测量它们。在过去，对已知粒子的精确测量已经推翻了看似坚不可摧的范式。例如，在20世纪40年代，对中子的磁矩测量表明，它并不是之前假定的基本粒子。这最终帮助发现了构成中子的粒子——夸克。另一个例子，对某些物质和反物质粒子不匹配衰变的测量，物理学家预言了新夸克的存在，这就是后来发现的顶夸克和底夸克。大型强子对撞机研究项目的计划是收集大量数据，这将给物理学家提供所需的分辨率，以检查粒子物理标准模型的每一个“阴暗角落”。该计划会自然而然地推动物理学搜索方法朝着更精细、更精确的方向发展，这将帮助物理学家限制新物理学可能带来的偏差。由于这些理论预言中有许多从未经过彻底的检验，物理学家希望他们能发现一些微小的偏差，从而开启物理学研究的新纪元。大自然也许对我们很苛刻，但也许大自然在考验我们，让我们变得更强大，最终可以找到大统一理论。
新的大型强子对撞机实验为何可以改变物理学？
在长达三年的小睡之后，世界上最强大的粒子对撞机苏醒了，准备帮助物理学家 探索 科学的最前沿，包括神秘的第五种自然力的是否存在。 “我们对跟进 [以前的] 异常情况感到非常兴奋，”哈珀说。“[但是，]我们也很紧张要让一切都正确。” 什么是大型强子对撞机？ LHC 位于法国和瑞士的边界之间，是世界上最大（近 16 英里长）和最强大的粒子加速器。这个巨大的甜甜圈形对撞机使用超导磁体和质子束以极高的能量（例如 13.6 万亿电子伏特）将已知粒子碰撞在一起。 这个数字听起来可能很大，但如果换算成日常能量单位，如瓦特或焦耳，甚至不足以为 100 瓦的灯泡供电一小时（LHC 能量大约相当于 2.18 10^-6 焦耳） ，而一个 100 瓦的灯泡需要 360,000 焦耳才能点亮一小时。） 但是不要以为你被迷惑了——对于像灯泡这样相对较重的物体来说，这可能并没有多少能量，但它可以将非常轻的粒子加速到略低于光速的速度。 然后，散布在环路周围的探测器从这些碰撞中收集数据，以观察粒子分裂成更小的碎片，从而揭示物理学中未知的领域。这些碎片可以包括夸克之类的东西，甚至是一类称为玻色子的粒子。玻色子是包括光子在内的超轻粒子家族，它们负责在粒子之间产生力，包括强核力和弱核力以及电磁力。就著名的希格斯玻色子而言，它甚至负责赋予粒子质量。 除了将东西砸在一起带来的兴奋和好奇心之外，哈珀说科学家们使用大型强子对撞机来 探索 粒子物理学最重要理论的有效性：标准模型。自 1970 年代发展以来，该理论描述了科学家观察到的几乎所有亚原子粒子的行为，但最近的发现使这种至高无上的理论地位受到质疑，包括 2022 年费米实验室数据的发现，该发现表明存在某种玻色子，称为 W 玻色子，可能比标准模型预测的重得多。 哈珀说，随着大型强子对撞机的新升级，科学家们可能最终能够解开这个谜团。如果 LHC 新的运行的数据观察到标准模型未能预测到的行为，这可能是标准模型尚不知道的力或粒子的迹象。 “瞧，新物理学有发现了！” 哈珀说。 检测 W 玻色子的实验 大型强子对撞机为何停止运行？ 过去，大型强子对撞机的运行一直是旁观者担心的主题，他们曾经担心对撞机发生灾难性事故，会产生危险的黑洞（事实上它不会产生），但怀疑者可以高枕无忧，因为知道对撞机的三年的休息只不过是定期的升级和维护。 事实上，这不是第一次也不是最后一次发生这种情况。根据运行时间表，大型强子对撞机计划在 2030 年代再停止两次。哈珀说，这些关闭的主要目的是逐步提升抛向对撞机内的质子束的能量能力，以提高粒子碰撞在一起的机会。 “物理学家想要更多的碰撞，”哈珀说。“LHC 及其探测器正在升级，以提供和记录尽可能多的数据，这让物理学家异常欣喜。” LHC 上周发出了两束测试光束，该团队打算在今年夏天晚些时候开始为 Run 3 认真收集数据。除了沿途短暂的维护中断外，哈珀说 Run 3 将持续到 2025 年底。 LHC 获得了哪些升级？ 在 2018 年底开始的最近一次关闭期间，大型强子对撞机获得了两项主要升级： 提高其仪器的能量能力，使研究人员能够创造更多更快的碰撞 更灵敏的数据收集软件，具有更高的捕获率，以增加研究人员可以记录和分析的碰撞次数 总之，这些升级应该为探测器创建和记录更多的碰撞。根据欧洲核子研究中心的说法，哈珀工作的探测器（CMS）应该期望“在这次物理运行期间观察到比前两次物理运行加起来更多的碰撞”。其他正在进行的实验，包括 ATLAS、ALICE 和 LHCb，可能会看到超过以前数量的 50 倍的碰撞。 除了升级现有实验外，Run 3 还将推出两个新实验——FASER 和 SND@LHC——专门设计用于寻找标准模型之外的物理实验。 左边显示了两个 W 玻色子和一个 Z 玻色子被释放，而另一个显示两个 Z 玻色子被释放。 大型强子对撞机现在能做出什么发现？ 对于哈珀来说，大型强子对撞机在第 3 轮运行期间可能做出的最令人兴奋的发现之一是深入挖掘 LHCb 在最后一次运行结束时观察到的异常现象，该异常似乎指向超出标准模型物理学。在第 2 轮数据中，科学家们看到一种称为 B 介子的玻色子分解成比标准模型预测的更多的电子。 如果哈珀及其同事能够用更多数据证实这一趋势，科学家们认为这可能是新的第五种力作用于这些粒子的证据。 “现在说任何 [确定] 还为时过早，但这让我们非常兴奋，我们真的很期待 Run 3 能够对此提供更多的信息，” 哈珀 说。 除了 探索 这种异常现象，大型强子对撞机实验者还希望通过寻找质子碰撞中丢失的动量数据来更深入地挖掘其他谜团，包括构成暗物质的粒子。特别是 FASER 将在这次狩猎中归零。 然而，尽管所有这些诱人的数据触手可及，但哈珀表示，在收集这些数据和真正从中得出任何结论之间仍然存在相当长的时间。对于像哈珀这样热心的科学家来说，这可能是整个努力过程中最具挑战性的部分。 “我们将不得不等待收集和仔细分析数据，”他说。“[这] 对我们来说很艰难，但我们已准备好了！”
