在法国和瑞士边界的地下深处,运行着世界上最大、能量最高的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)。LHC内,科学家的目标是要让大量的质子进行对撞,它们之间的碰撞次数越多,也就越有机会观测到一些罕见的事件。但在对撞之前,质子会被加速到接近光速的速度。带正电荷的质子会在电场中加速,并在磁场的引导下绕着环形的隧道加速前进。2010年,LHC首次实现了高能的质子-质子对撞,开启了粒子物理学的全新时代。
从反物质到暗物质,从希格斯玻色子到早期宇宙,都是LHC的探索目标。在过去十年里,科学家收集了海量的粒子碰撞数据,取得了许许多多的学术成果,加深了我们对基础物理学的理解。
而其中这三个结论或许是最为重大:成功证明了此前粒子物理学标准模型缺失的最后一块——希格斯玻色子的存在;进一步巩固了标准模型的有效性,并未发现任何超越标准模型的证据;在标准模型的框架之内,LHC以前所未有的精度探测到了一些新的现象,这些结果扩展和加深我们对标准模型的理解。预计在LHC结束它的使命之前,未来还将有近20个项目在这里展开。目前,这一巨大的、全球性的实验室给物理学带来了巨大的影响。
接下来,我们跟随着一些数字来了解LHC:在LHC投入运行的不久后,ATLAS和CMS项目就在2012年7月作出了这个世纪最伟大的发现之一——证明了希格斯玻色子的存在。它标志着长达数十年对希格斯玻色子探索的结束,也开辟了新的探索前景。在刚刚发现希格斯玻色子时,科学家对这种粒子的性质和相互作用知之甚少;八年过去了,随着对希格斯玻色子的了解的深入,我们对于整个基础物理学领域的理解也变得更加清晰。
一个有趣的问题是,LHC究竟产生了多少个让科学家苦苦寻找了如此之久的希格斯玻色子呢?这个数字是800万左右。虽然不可能确切知道LHC产生的希格斯玻色子的实际数量,但通过标准模型的方程,科学家可以预测LHC应该产生了多少希格斯玻色子。在计算中,科学家把所有可能产生希格斯玻色子的过程,每种过程产生希格斯玻色子的可能性,碰撞的能量以及碰撞次数的总和都考虑了在内。
通过这些计算,科学家精确地定义了希格斯粒子的质量、电荷、自旋和半衰期。他们还在继续研究希格斯粒子与其他粒子的不同作用方式,并将其作为寻找超越标准模型的新物理学的重要工具。