強子對撞機：微觀粒子「捕捉能手」

自 2008 年建造完成後，位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織的大型強子對撞機（LHC）為物理學界立下了不少「汗馬功勞」：

2012 年，歐洲核子研究組織（CERN）宣布在 LHC 的緊湊緲子線圈「捕捉」到希格斯玻色子的身影，並在後續的研究中證明了這種自旋量子為零的「上帝粒子」的存在。

2015 年，在 LHC 的幫助下，CERN 發現了五夸克粒子，為研究恆星崩潰創造了條件。

今年年初，CERN 的夸克實驗組發現了全新的五粒子系統

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簡單來說，LHC 幫我們打開了一道道通向更加微觀的世界的大門，為科學家們不斷拆解宇宙中的奧秘奠定了基礎。

強子對撞機

LHC的過人之處是？

在日常生活中，我們想要了解鐘錶的運作原理就要拆開它看看；科學家們想要知道人工智慧是怎麼思考的，就要打開其「黑匣子」……而想要探秘這個世界，則需要知道物質是由什麼組成的。

從光學顯微鏡到電子顯微鏡，再到掃描隧道顯微鏡，如今科學家們已經能夠藉助這些光電子設備觀察到分子、單個原子的狀態。此外藉助超精密儀器，科學家們還能分離出單個原子、電子和質子等，並給他們「擺造型」。

不過這些還不是組成物質的最小單位，為了深入探尋更加微觀的粒子，科學家們試圖將它們「打碎」，並製造出能夠實現這一目標的粒子加速器。據悉，在加速器真空管道中質子或其他亞原子會在導磁體的引導下加速至一定程度，然後相互碰撞爆炸、「打散」其原來的穩定結構，並以此發現其中隱藏著的已知或未知的微小顆粒——正電子、反質子、渺子、tau 輕子、夸克、希格斯玻色子……

其中，CERN 的強子對撞機就是世界上最大、能量最高的粒子加速器——隧道長約 27 公里，可實現貼近光速且總能量高達十幾萬億電子伏特的質子束流對撞。

LHC是怎麼辦到的？

與早期的粒子加速器相比，強子對撞機的特點是軌道採用了環形結構。從理論上來說，粒子的運行速度越快，碰撞時所產生的能量就越高。不過，要使粒子達到某些實驗所需要的相對速度，加速軌道的長度甚至比地球的周長還要長，因此以往的直線軌道已經無法滿足實驗要求了。

為了讓粒子在環形軌道中能夠順利切換方向以及飛速運行，強子對撞機中有數千個引導粒子前進的超導電磁體。當氫氣瓶中產生的數以千計的質子束進入軌道後，數秒內將被提速至 99. 9999991%光速（299 792 458 m / s），然後在軌道中飛速運行「等待」與其他質子碰撞的機會。

強子對撞機的規模

雖然這些質子束（每束裡面含有多達 1000 億個質子）僅僅在寬度不到人類頭髮一半的軌道中運行的，但是粒子實在太小，所以它們之間的碰撞幾率非常低，大概是五億分之一。不過，由於質子束的運行速度非常快（一秒能繞行軌道 11 萬次），所以能夠達到約十億對粒子的碰撞。這時圍繞在軌道周圍如房子般大小的密集探測器就派上用場了，它們會記錄下每個碰撞瞬間產生的高能粒子或其快速衰變後的產物，以供科學家們研究。

事實上，絕大多數碰撞產生的粒子都是已知的，但是只要某一次能夠找到新發現，都有可能會顛覆或者革新我們對微觀世界的認識。

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