大型强子对撞机 LHC 发现希格斯玻色子

世界上最强大的粒子加速器的地下环形隧道长 26.7 公里：位于日内瓦欧洲核研究中心 CERN 的大型强子对撞机 LHC。质子在相互碰撞之前以几乎光速穿过这个环形隧道。微型格式的巨大碰撞是故意的，因为这是形成新的挥发性粒子的唯一途径。LHC 有几个探测器可以用来研究这些粒子碰撞和由此产生的新粒子。希格斯玻色子的发现涉及两个探测器：CMS 探测器和 ATLAS 探测器。

来自慕尼黑马克斯普朗克物理研究所的 Sandra Kortner 于 2012 年领导了 ATLAS 探测器的研究小组，因此她是最早发现已经进行了多年的希格斯粒子搜索的人之一。成功加冕：“那是在一个星期天，六月的傍晚。我们正在等待最新的数字。当我粗略地把它们加起来时，我立刻知道我们真的找到了希格斯粒子，”桑德拉说科特纳。“我无言以对。首先我想庆祝，然后我无言以对，然后我只是感激。这个发现是我生命中的礼物。”

希格斯玻色子的发现是粒子物理学的胜利

当 2012 年 7 月 4 日宣布发现希格斯粒子时，这对所有相关研究人员来说都是一次胜利。因为希格斯粒子——以物理学家彼得·希格斯命名，他在 1964 年与同事们一起在理论上首次描述了它——是所谓的粒子物理学标准模型中仍然缺失的最后一个粒子。迄今为止已知的所有物质都由该标准模型的 13 个基本粒子组成。电子和光子，即光粒子，也是基本粒子，并在此标准模型中表示。

作为基本粒子，希格斯粒子不能进一步分解成更小的粒子。与电子或光子不同，它不会在野外发生。这就是为什么研究人员需要像大型强子对撞机 LHC 这样的巨大粒子加速器来产生它至少几分之一秒的时间。尽管我们既看不到也感觉不到它，但它对物理学家起着重要作用：它的存在首先解释了所有其他粒子如何获得质量。

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机正在寻找未知

自从发现希格斯粒子后，研究人员就使用大型强子对撞机来更精确地测量希格斯粒子。通过从更多粒子碰撞中收集更多数据——从而从产生的更多希格斯玻色子中收集更多数据——他们一方面能够确保他们确实找到了希格斯玻色子。例如，他们测量了它的自旋，一种内在的角动量。他们观察了希格斯粒子如何与其他粒子相互作用。到目前为止，所有的实验结果都与标准模型的理论预测一致。

LHC 粒子加速器上的 ATLAS 探测器最近得到了改进——但它现在并将仍然是最重要的一件事：巨大。 图片版权：布莱斯，马克西米连：欧洲核子研究中心

然而，这只是庆祝的部分原因。因为大型强子对撞机现在有一个完全不同的目的，而不仅仅是越来越精确地测量希格斯粒子。“我们正在寻找大型强子对撞机的各种新物理。这意味着我们正在寻找不包含在粒子物理标准模型中的新粒子，”慕尼黑马克斯普朗克物理研究所的 Uli Haisch 说，并补充说：“不幸的是，到目前为止没有成功。”

全世界的研究人员都在寻找新的物理学。因为粒子物理学的标准模型可以描述微观世界，即最小的、奇妙的世界，包括希格斯粒子。但是，也有标准模型根本无法解释的现象。

首先是暗物质，通常给定形容词“神秘的”。它之所以神秘，是因为没有人知道暗物质是什么，而且它不与其他粒子相互作用。这是不切实际的，因为研究人员几乎可以肯定它们一定存在——这就是天文观测所表明的。Uli Haisch 说：“老实说，你不得不承认你对这种暗物质一无所知。而且大型强子对撞机也很可能无法透露任何关于它的信息，例如因为它无法在全部。但你绝对可以找到它。

然后是更神秘的暗能量导致我们宇宙的膨胀继续加速。标准模型也无法解释为什么宇宙中的物质多于反物质。

因此，寻找超越标准模型的新物理现在是大型强子对撞机的主要任务之一。在众多实验中，研究人员希望找到与他们的理论预测不符的东西。时不时地会有一些提示——例如目前在大型强子对撞机的六个实验之一的大型强子对撞机实验中。“这实际上是唯一一个有新物理学证据的实验。观察到的偏差与标准模型的预测不符。”

然而，到目前为止，数据太稀疏了。新物理学的线索可能只是统计上的小问题。升级后，大型强子对撞机自 2022 年 4 月起再次运行：质子呼啸而过，相互碰撞，产生大量粒子和大量数据。里面是否真的隐藏着什么意想不到的东西，还有待观察。