世界上最大的粒子加速器LHC已穩(wěn)定運(yùn)行了十年，它是迄今為止人類制造的最復(fù)雜的超大機(jī)器之一，LHC位于法國(guó)和瑞士?jī)蓢?guó)的邊界地帶，埋藏在地下100米的深處，超長(zhǎng)的加速器圍成了周長(zhǎng)27公里的環(huán)圈。2008年9月10日，科研人員第一次為加速器注入了來(lái)源于氫原子核的質(zhì)子，他們的興高采烈心情持續(xù)了幾天時(shí)間，2008年的9月22日，加速器出現(xiàn)了一起故障，50多塊大磁鐵在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中受到損毀，而加速器一共安裝了6000塊大磁鐵，加速器的磁場(chǎng)將質(zhì)子束縛在圓形的管道。事故修復(fù)工程進(jìn)行了一年多，2010年3月，LHC重新投入運(yùn)行。

LHC是歐洲原子核研究中心（CERN）投資建造的一個(gè)粒子物理實(shí)驗(yàn)室，CERN是在第二次世界大戰(zhàn)后設(shè)立的研究機(jī)構(gòu)，成立這一機(jī)構(gòu)的目的是為了在科學(xué)精神的指引下將戰(zhàn)時(shí)分裂的歐洲重新團(tuán)結(jié)在一起。作為重建被戰(zhàn)火蹂躪的歐洲的一個(gè)重大基礎(chǔ)科學(xué)項(xiàng)目，CERN投入了100億歐元的建設(shè)費(fèi)用。在科學(xué)理念的召喚下，現(xiàn)在的LHC已轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)國(guó)際性的科研機(jī)構(gòu)，有來(lái)自全球6個(gè)大洲的100個(gè)國(guó)家的數(shù)千名科學(xué)家在“超級(jí)實(shí)驗(yàn)室”進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

人們一直對(duì)LHC的超大規(guī)模和運(yùn)作方式感到好奇，它的基本工作原理是將經(jīng)過(guò)加速的兩束質(zhì)子流以最高能量進(jìn)行碰撞。在周長(zhǎng)27公里的環(huán)型圈內(nèi)設(shè)置了6個(gè)實(shí)驗(yàn)室，建造在地下洞穴的巨型探測(cè)器用于收集質(zhì)子在相互碰撞后留下的信息。建造LHC的目的是以實(shí)驗(yàn)手段揭示微觀宇宙的奧秘?；玖Ｗ邮墙M成物質(zhì)的“基礎(chǔ)材料”，它們的存在和相互作用是最基礎(chǔ)的科學(xué)問(wèn)題。LHC在過(guò)去十年取得的成績(jī)令人矚目，科學(xué)家使用“龐然大物”的機(jī)器發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，它是科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)尋找的一種基本粒子。希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了英國(guó)科學(xué)家希格斯在1964年做出的一項(xiàng)預(yù)言，他當(dāng)時(shí)把對(duì)自然基本力解釋的兩種理論很好地結(jié)合起來(lái)，從中預(yù)言了希格斯粒子的存在。

LHC的實(shí)驗(yàn)室之一是緊湊型繆子螺旋管探測(cè)器（CMS），實(shí)驗(yàn)室的目的就是尋找理論預(yù)言的希格斯粒子。LHC最有價(jià)值的發(fā)現(xiàn)是讓希格斯粒子“重見光明”，2012年7月4日，科學(xué)家在CERN公布了令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，全世界的科學(xué)人士歡欣鼓舞。在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中，希格斯玻色子是最后一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的粒子，它被稱為粒子圖譜中的最后一塊“拼圖”。粒子標(biāo)準(zhǔn)模型以一個(gè)圖譜樣式展現(xiàn)出來(lái)，圖譜覆蓋了所有已知的17種基本粒子、三種自然基本力以及它們的相互作用，但標(biāo)準(zhǔn)模型不能把引力納入其中，得到廣泛證實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)相當(dāng)完美的理論，有6位科學(xué)家為希格斯粒子理論作出了主要的貢獻(xiàn)，其中的兩位由于希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)而獲得了2013年的物理諾獎(jiǎng)。

科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，為何還要繼續(xù)開展質(zhì)子粉碎的實(shí)驗(yàn)？有很多希格斯粒子屬性的問(wèn)題有待解答，而很多粒子物理的基本問(wèn)題似乎超出了標(biāo)準(zhǔn)模型的范圍，比如：天文學(xué)家在觀測(cè)星系和大尺度宇宙結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在星系和宇宙的其它結(jié)構(gòu)中有比觀測(cè)到的物質(zhì)更多的隱形物質(zhì)，他們將看不見的物質(zhì)稱為“暗物質(zhì)”，最常見的解釋是暗物質(zhì)由暗物質(zhì)粒子組成。

LHC的物理學(xué)家希望以實(shí)驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的痕跡，然后研究它們的屬性。2018年9月，ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家宣布了一項(xiàng)鼓舞人心的研究成果，他們第一次發(fā)現(xiàn)了以多種方式發(fā)生的希格斯粒子衰變，有些粒子的衰變方式是科學(xué)家熟悉的，這是常見的衰變方式；有些粒子的衰變方式是科學(xué)家不熟悉的、這是不常見的衰變方式。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型成功地預(yù)測(cè)了希格希粒子所有的衰變方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)，目前的檢測(cè)結(jié)果顯示，標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)希格斯粒子衰變的預(yù)測(cè)是正確的，再次證明了粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的科學(xué)性。

宇宙的很多謎團(tuán)有待科學(xué)家的解答，他們以問(wèn)題為導(dǎo)向建立了多種理學(xué)模型，很多科學(xué)問(wèn)題至今沒(méi)有得到令人滿意的答案，比如：為什么在可觀測(cè)宇宙中的物質(zhì)數(shù)量遠(yuǎn)超反物質(zhì)數(shù)量？引力在四種基本力中為何最弱？它比其它的三種自然基本力弱了若干個(gè)數(shù)量級(jí)。LHC的國(guó)際合作科學(xué)團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)檢驗(yàn)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的有效性，希望看到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合理論的預(yù)期，也可能看到不一樣的結(jié)果。當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論描述不符合時(shí)，這意味著可能存在目前不能解釋的物理現(xiàn)象，LHC的未來(lái)目標(biāo)是盡可能地發(fā)現(xiàn)目前不能解釋的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

成百上千的新奇理論預(yù)測(cè)了新物理學(xué)的出現(xiàn)，物理實(shí)驗(yàn)是對(duì)還未得到證實(shí)的理論的最好檢驗(yàn)。CERN計(jì)劃將LHC的運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，至少將LHC的探測(cè)使命延續(xù)到2035年，從現(xiàn)在到2035年，加速器和探測(cè)器的更新?lián)Q代已被納入計(jì)劃，現(xiàn)在的一些科學(xué)家到那時(shí)將會(huì)退休，LHC卻在“服役”。LHC的科學(xué)家在十年前焦急等待第一束質(zhì)子在加速器管內(nèi)“飛轉(zhuǎn)”，他們現(xiàn)在忙于對(duì)實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)“寶庫(kù)”的挖掘，從中尋找科學(xué)發(fā)現(xiàn)的路徑。未來(lái)的二十年，LHC的國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)將攜手合作，希望在粒子物理學(xué)領(lǐng)域獲得更多的成果。

（編譯：2019-1-7）