材料的原子之中的電子就會(huì)被釋放出來，形成特定的電流，讓科學(xué)家能夠精確測(cè)量這些粒子的穿行路線。探測(cè)器周邊的磁場(chǎng)會(huì)彎曲這些帶電粒子的路線，彎曲的程度表明了這些粒子的動(dòng)量。

再向外一個(gè)同心環(huán)，則由填充著液態(tài)氬（ATLAS）或者鎢酸鉛晶體（CMS）的探測(cè)器構(gòu)成。與這些探測(cè)器中密集排列的原子發(fā)生的碰撞，會(huì)讓大多數(shù)粒子停滯在其中，這些粒子減速時(shí)發(fā)出的光子可以用來測(cè)量那些粒子的能量，從而鑒別它們的身份。

電子較重的“表親”，也就是μ子，不會(huì)在這些探測(cè)器中止步，但更外一層同心環(huán)中的專用探測(cè)器會(huì)鑒別和測(cè)量它們。對(duì)于更難以捉摸的中微子，則完全沒有進(jìn)行測(cè)量。它們的存在是通過統(tǒng)計(jì)碰撞中產(chǎn)生的所有其他粒子的動(dòng)量而推斷出來的。

每次都有許多質(zhì)子-質(zhì)子同時(shí)發(fā)生碰撞，這些碰撞產(chǎn)生的粒子接近光速向外飛出，而需要仔細(xì)研究的碰撞必須盡快篩選出來，因?yàn)椴坏?0納秒之后，又會(huì)有另外兩束質(zhì)子在探測(cè)器的核心發(fā)生對(duì)撞。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)目前正在升級(jí)，升級(jí)完成之后，這個(gè)時(shí)間會(huì)縮短到25納秒。如此大量的數(shù)據(jù)，會(huì)傳送到世界各地被連接在一起的計(jì)算機(jī)中，經(jīng)由大量計(jì)算來鑒別希格斯玻色子是否存在。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)

愛因斯坦提出的最著名的一個(gè)方程，E=mc2，將能量和質(zhì)量聯(lián)系在了一起。后果之一便是，當(dāng)大質(zhì)量粒子高速對(duì)撞在一起時(shí)，釋放出來的能量能夠用來創(chuàng)造出其他的大質(zhì)量粒子。瑞士日內(nèi)瓦附近CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，已經(jīng)花了兩年時(shí)間，將能量高達(dá)4 TeV的質(zhì)子對(duì)撞在一起。將攜帶這么多額外能量的兩個(gè)質(zhì)子對(duì)撞在一起，理論上，你能夠創(chuàng)造出8000多個(gè)質(zhì)子。

LHC位于一條27千米長的隧道之內(nèi)。通常，它被描述為一個(gè)環(huán)，但實(shí)際上，它更像是一個(gè)邊角有些圓的八邊形。在直線段，強(qiáng)大的電磁場(chǎng)給兩束相對(duì)運(yùn)行的質(zhì)子束注入能量，每次經(jīng)過都會(huì)給它們加速。等到對(duì)撞時(shí)，它們的速度已經(jīng)達(dá)到了光速的99.999999991%。

要弄彎如此高速運(yùn)動(dòng)的粒子束，你需要非常強(qiáng)大的磁鐵。電阻帶來的任何能量損失，都會(huì)成為運(yùn)行時(shí)的短板，因此磁鐵必須由超冷的超導(dǎo)材料制成。即使如此，它們也只能把粒子束弄彎一點(diǎn)點(diǎn)——這就是LHC被建造得如此巨大的原因所在。

在八邊形的4個(gè)邊上，更多磁鐵將質(zhì)子束約束到還不到人頭發(fā)絲粗細(xì)，然后讓它們迎頭相撞。4個(gè)大型探測(cè)器：ATLAS、CMS、LHCb和ALICE，會(huì)在各個(gè)碰撞點(diǎn)上記錄碰撞結(jié)果。ATLAS和CMS是全功能探測(cè)器，設(shè)計(jì)用來測(cè)量到底撞出了什么東西——包括搜尋轉(zhuǎn)瞬即逝的希格斯玻色子。

尚未回答的問題

標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)巨大的成功。然而，就算有了希格斯玻色子為它加冕，它也仍然是不完整的。引力在標(biāo)準(zhǔn)模型中明顯缺席，而且它也無法解釋暗物質(zhì)——這種東西只能通過它的引力作用在天文觀測(cè)中被察覺到。接下來還有一個(gè)謎題：為什么物質(zhì)會(huì)比反物質(zhì)多這么多，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，它們的數(shù)量應(yīng)該差不多是相等的。

粒子物理學(xué)的下一步，必須要解釋這些謎題。比如，我們有可能在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的質(zhì)子碰撞中產(chǎn)生出暗物質(zhì)粒子，或者在深埋于礦井和坑道之中的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中避開宇宙線的干擾而搜尋暗物質(zhì)粒子的蹤跡。另一種途徑是，我們或許可以觀察空間中兩個(gè)暗物質(zhì)粒子湮滅而產(chǎn)生的高能粒子來間接地觀察暗物質(zhì)，比如正在國際空間站上展開實(shí)驗(yàn)的阿爾法磁譜儀（AMS）。

至于反物質(zhì)，CERN的實(shí)驗(yàn)或許可以制造并且存貯它們，我們甚至在正電子發(fā)射斷層掃描儀（PET）中利用它們來幫助醫(yī)生診斷癌癥。LHCb實(shí)驗(yàn)裝置會(huì)檢測(cè)質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中產(chǎn)生的短命粒子的衰變，尋找反物質(zhì)粒子何以如此稀少的證據(jù)。

中微子也可能會(huì)提供一些幫助。這些幽靈一般的粒子在空間中穿行時(shí)，會(huì)在3種中微子之間相互變換。在中國和韓國之間測(cè)量不同中微子混合程度的實(shí)驗(yàn)暗示，正反物質(zhì)的失衡可能也存在于中微子當(dāng)中。自然界中觀察到的正反物質(zhì)差異，和標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言之間存在的巨大鴻溝，或許可以借此得以彌補(bǔ)。

更古怪的是，中微子的質(zhì)量甚至有可能根本不是通過希格斯機(jī)制獲得的。因?yàn)橹形⒆硬粩y帶任何的“荷”，它自己就是自己的反物質(zhì)。果真如此的話，它的質(zhì)量可能來自于它與自身的相互作用，而并非來自于它同希格斯場(chǎng)的相互作用。靈敏的地下實(shí)驗(yàn)裝置正在尋找極其罕見的核衰變，那些衰變或許會(huì)告訴我們答案。

符合標(biāo)準(zhǔn)模型嗎？

如果承認(rèn)已經(jīng)誘捕到的就是希格斯玻色子，我們就沒有任何轉(zhuǎn)還的余地了——因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)預(yù)言了關(guān)于它的所有一切。

盡管我們相當(dāng)確定，新發(fā)現(xiàn)的粒子正如希格斯粒子那樣會(huì)衰變成攜帶作用力的玻色子，但我們還不太確定它會(huì)不會(huì)衰變成構(gòu)成物質(zhì)的費(fèi)米子。在更為罕見的衰變中，希格斯粒子會(huì)衰變成底夸克、τ子，甚至μ子。升級(jí)之后的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)應(yīng)該能夠精確地測(cè)量這些衰變。

標(biāo)準(zhǔn)模型還對(duì)希格斯粒子應(yīng)該如何與頂夸克發(fā)生相互作用給出了明確的預(yù)言。任何不同于預(yù)言的偏差，都將為新物理學(xué)提供一絲跡象。

最讓人捉急的問題在于這個(gè)粒子的質(zhì)量。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，希格斯粒子與它自身及周圍粒子的相互作用似乎暗示，它應(yīng)該擁有巨大的質(zhì)量。但大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中發(fā)現(xiàn)的這個(gè)粒子，質(zhì)量要小得多。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型加以“微調(diào)”，讓兩個(gè)巨大的數(shù)字幾乎（但又不完全）相互抵消，應(yīng)該能夠解決這個(gè)問題，使得希格斯粒子擁有較小的質(zhì)量。但許多人不喜歡這種修正，認(rèn)為這樣的修正讓理論變得有點(diǎn)不自然了。

一個(gè)受人歡迎的提議能夠解決這個(gè)問題，那就是超對(duì)稱。這種理論通過費(fèi)米子和玻色子之間的一種對(duì)稱，擴(kuò)展了標(biāo)準(zhǔn)模型。它預(yù)言了一大批新粒子，每一個(gè)玻色子都有一個(gè)費(fèi)米子與它對(duì)應(yīng)，反之亦然。這些新粒子之間的相互作用，能夠自然而然地抵消使得希格斯粒子質(zhì)量增大的那些因素。

問題在于，不論是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，還是任何其他設(shè)備，目前都還沒有看到任何證據(jù)表明存在這些粒子——事實(shí)上，它們沒有找到任何證據(jù)支持任何超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論所作的預(yù)言。如果我們找到了一個(gè)希格斯粒子，卻沒有找到任何其他東西，或許我們就必須承認(rèn)，自己生活在一個(gè)看似有點(diǎn)不太自然的世界之中。又或者，我們只是漏過了標(biāo)準(zhǔn)模型自身的某些細(xì)微之處。而最讓人激動(dòng)人心的事情莫過于，在標(biāo)準(zhǔn)模型之外還有另一層全新的宇宙結(jié)構(gòu)在等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

是希格斯粒子嗎？

等到大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在2015年年初重啟之時(shí)，它會(huì)以更高的頻率碰撞粒子，能量則比升級(jí)前幾乎翻番。如此一來，科學(xué)家便能探測(cè)新發(fā)現(xiàn)粒子的若干特性，檢驗(yàn)它到底是不是給所有其他粒子賦予質(zhì)量的那個(gè)粒子。

自旋便是有待探測(cè)的特性之一。希格斯玻色子之所以被歸類為玻色子，是因?yàn)槔碚擃A(yù)期它的自旋應(yīng)該為整數(shù)——這就使它與光子之類攜帶作用力的粒子被歸入了同一大類。目前發(fā)現(xiàn)的所有玻色子，自旋都為1；而構(gòu)成物質(zhì)的粒子，比如夸克和電子，自旋都為半整數(shù)（比如1/2）。

但是，希格斯粒子并不是作用力的攜帶者。作為賦予其他所有粒子質(zhì)量的一個(gè)背景場(chǎng)所產(chǎn)生的粒子，希格斯粒子必定能夠與所有其他粒子發(fā)生相互作用，不管它們自旋是多少——這種情況，只有當(dāng)它的自旋為0時(shí)，才有可能出現(xiàn)。目前的證據(jù)已經(jīng)相當(dāng)具有說服力，但對(duì)這種新粒子的衰變產(chǎn)物的角分布進(jìn)行更精確的測(cè)量將告訴我們，有沒有什么變故隱藏在其中。

另一個(gè)關(guān)鍵問題在于，新發(fā)現(xiàn)的粒子如何與W玻色子和Z玻色子發(fā)生相互作用。科學(xué)家認(rèn)為，正是通過這些相互作用，希格斯玻色子才把弱電力分割成了電磁力和弱核力。現(xiàn)在，我們已經(jīng)有一只腳站在了更堅(jiān)實(shí)的土壤之上：新粒子衰變成W玻色子和Z玻色子的概率與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯玻色子大致相符。進(jìn)一步的測(cè)量或許會(huì)揭示它與標(biāo)準(zhǔn)模型的細(xì)微差異，也可能會(huì)揭示某些擴(kuò)展模型中預(yù)言的其他希格斯玻色子。

但是，我們已經(jīng)了解到了足夠多的信息，把新發(fā)現(xiàn)的粒子稱為某種希格斯玻色子，肯定是沒錯(cuò)的。（編譯自：《新科學(xué)家》，The Higgs Boson來源：果殼網(wǎng)。）

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