博科園：本文為高能物理學類

大型強子對撞機(LHC)是現代粒子物理學的一個奇蹟，它使研究人員能夠探測到現實世界的深處。它的起源可以追溯到1977年，根據物理學家托馬斯?肖納-薩迪尼烏斯(Thomas Schorner-Sadenius) 2015年發表的一篇歷史論文，當時歐洲核子研究中心(CERN)前主任約翰?亞當斯爵士(Sir John Adams)建議建造一條地下隧道，以容納能夠達到超高能量的粒子加速器。20年後的1997年，該項目正式獲得批准，並開始建造一個16.5英里(27公里)長的環形軌道，該軌道經過法國和瑞士邊境，能夠將粒子加速到99.99%的光速，並將它們撞擊粉碎在一起。

博科園-科學科普：在環內，9300個磁鐵以每秒11245次的速度將帶電粒子以兩個相反的方向引導到一起，最終實現正面碰撞。該設備每秒能產生6億次碰撞，釋放出難以置信的能量，並且每隔一段時間，就會產生一種從未見過的奇異重粒子。大型強子對撞機運行能量是美國費米實驗室退役泰的威頓（Tevatron）粒子加速器6.5倍，LHC的建造總共花費了80億美元，其中5.31億美元來自美國。來自60個不同國家的8000多名科學家參與了這項實驗。加速器在2008年9月10日首次開啟，僅在其原始設計強度的千萬分之一時間內碰撞粒子。

世界上最大的粒子加速器，大型強子對撞機，在法國和瑞士的邊界下形成了一個17英里(27公里)長的環。圖片：Maximilien Brice/CERN

在它開始運作之前，一些人擔心新的原子加速器會摧毀地球，也許會創造一個吞噬一切的黑洞。但任何著名的物理學家都會說這種擔心是沒有根據的。歐洲核子研究中心主任Robert Aymar說：LHC是安全的，任何認為它存在風險的說法都是虛構的。這並不是說，如果使用不當，該設施就不會產生潛在的危害。如果你把你的手插進光束中，它會把一艘航空母艦運動時的能量集中到一毫米以下，它會在光束中形成一個洞，然後隧道中的輻射會殺死你。

開創性的研究

在過去的10年里，大型強子對撞機為了兩個主要的實驗（ATLAS和CMS）將原子擊碎在一起，這兩個實驗分別操作和分析它們的數據。這是為了確保兩種合作都不會影響到對方，並且每一種合作都提供了對其姐妹實驗的檢查。這些儀器已經發表了2000多篇關於基本粒子物理學許多領域的科學論文。2012年7月4日，當LHC的研究人員宣布發現希格斯玻色子(Higgs boson)時，科學界屏息以待。希格斯玻色子是已有50年歷史的物理學標準模型(Standard Model of physics)中的最後一塊拼圖。標準模型試圖解釋所有已知的粒子和力(除了重力)及其相互作用。早在1964年，英國物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs)就寫過一篇關於這種現在以他的名字命名的粒子論文，解釋了質量是如何在宇宙中產生的。

這張大型強子對撞機的合成圖像是由一位3D藝術家創作。電子束管用透明的電子管表示，反向旋轉的質子束用紅色和藍色表示。圖片：Daniel Dominguez/CERN

希格斯玻色子實際上是一個能滲透到所有空間的場，並拖曳著每一個穿過它的粒子。一些粒子在磁場中跋涉得更慢，這與它們的質量更大相對應。希格斯玻色子是這一領域的一種表現，物理學家們已經追求了半個世紀。LHC就是為了最終捕獲這個難以捉摸的目標而建造。最終發現希格斯粒子的質量是質子的125倍，彼得·希格斯粒子和比利時理論物理學家弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)因預測其存在而在2013年獲得諾貝爾獎。即使有希格斯粒子在手，物理學家們也不能休息，因為標準模型仍然有一些洞。首先，它不涉及引力，而引力是愛因斯坦相對論的主要內容。它也沒有解釋為什麼宇宙是由物質而不是反物質構成，反物質應該在時間之初以大致相等的數量被創造出來。

在暗物質和暗能量方面，它是完全沉默的，當它剛被創造出來的時候，還沒有被發現。在大型強子對撞機啟動之前，許多研究人員可能會說，下一個偉大的理論是超對稱理論，它為所有已知的粒子增加了類似但質量大得多的雙子星。這些重夥伴中的一個或多個可能是構成暗物質的粒子的完美候選者。超對稱性開始解釋重力，為什麼它比其他三種基本力弱得多。在希格斯玻色子被發現之前，一些科學家希望這個玻色子最終會與標準模型預測的略有不同，這暗示著新的物理學。但是當希格斯粒子出現的時候，它是非常正常的，正好在標準模型所說的質量範圍內。

雖然這對於標準模型來說是一個偉大的成就，但它卻讓物理學家們沒有任何好的線索。一些人開始談論「失去的幾十年」，追尋那些表面上聽起來不錯，但似乎與實際觀察不符的理論。許多人希望大型強子對撞機的下一次數據採集將有助於清理這一混亂局面。LHC於2018年12月關閉，進行為期兩年的升級和維修。當它重新上線時，它將能夠以每秒兩倍的碰撞次數，以略微增加的能量粉碎原子。到時候它會發現什麼，誰也說不準。人們已經在討論用更強大的粒子加速器來取代它，它位於相同的區域，但體積是LHC的四倍。這一巨大的替代工程可能需要20年時間和270億美元（1812.1億元人民幣）的建設資金，所以你覺得再用20年花1812億元造對撞機值得嗎？

博科園-科學科普｜參考期刊文獻: 《高能物理》

文：Adam Mann, Live Science

DOI: 10.1007/978-3-319-15001-7_1

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