发现希格斯玻色子的物理装置是大型强子对撞机，希格斯波色子之后，持续运作的大强子对撞机又做了什么？

本文转载自科技大观园，原文为《撞够了没？还没！大强子对撞机续集上映中》作者/郭亚欣|大型强子对撞机，LHC)科技大观园特约编辑，属于欧洲核子研究组织(CERN)，是一个巨大的粒子加速器，它包括一个地下周长27公里的粒子加速环，就像粒子的轨道一样。或者质子和重离子在跑道上快速奔跑，在超导磁体的引导下相互碰撞。物理学家将从这些碰撞中寻找新的粒子，探索未知的物理。

粒子发现年表。2012年，科学家在大型强子对撞机的碰撞事件中发现了希格斯粒子。图/何廷毅LHC在2012年撞出了所有人都期待的希格斯粒子。当时的物理界欢声雷动。第一个预言希格斯粒子存在的希格斯本人和同年提出该理论的恩格勒也于次年获得了诺贝尔物理学奖。LHC很快解决了主要任务，然后呢？八年过去了，LHC并没有因为主要任务的完成而退休。这么多年来，它还在一次又一次地试图制造撞船事件。毕竟，科学家们期望在LHC的撞击能量尺度上能看到一些新的东西，但实际情况是怎样的呢？

发现希格斯粒子的关键事件：希格斯粒子衰变为两个光子。图/陈凯锋提供

偏偏不倒的危楼—标準模型

年LHC发现希格斯粒子后，研究团队从2015年底开始将LHC的碰撞能量从原来的7 TeV或8 TeV(1 TeV=1012电子伏)提高到13 TeV，已经运行了3年。这一时期被称为LHC的第二阶段。撞击能量越高，能撞上的罕见事件就越多。更具体地说，LHC能击中的粒子质量上限约为总撞击能量的1/6(在粒子物理学中，粒子质量通常用能量单位表示)。比这个能量重的粒子概率太低，事件样本太少。所以为了有更多的观测，必须增加碰撞能量，积累更多的数据。

全世界的物理学家都在分析这三年的数据。长期参与LHC实验的台大物理系教授陈凯丰说：“虽然分析还没有完成，目前还不能排除一些意外的信号，但统计数据不足以证明这些是新物理引起的现象。在寻找新粒子的目标上，虽然研究成果丰硕，但测量结果并没有明显超出标准模型的范围。

大型强子对撞机最近的CMS探测器照片。图/陈凯峰另一方面，研究团队也希望根据对新数据的分析，修正标准粒子模型中的参数，但目前的测量结果与理论预测大体一致。“这是一种非常奇怪的感觉。陈凯锋描述道。事实上，现有的标准粒子模型并不十分稳定。陈凯丰说，“我们认为现在的理论框架肯定有问题，但我们就是找不到。就好像我们盖了一栋危楼，却找不到加固的方法，地震来了就是不倒。大概就是这么微妙的感觉吧！」

例如，标准粒子模型包括六种夸克：上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克、底夸克，六种轻子：电子、子、陶子，以及三种对应的中微子。顶夸克的质量明显比其他5个夸克大很多，而中微子的质量太小，无法直接测量，这在物理学家看来应该不是自然发生的。另外，标准模型无法满足这个几乎只有物质存在，大部分反物质消失的宇宙。为了解决这个问题，物理学家也提出了一些假设。比如，真的会有更重的夸克和轻子，或者更奇特的玻色子吗？“但是从LHC的实验结果来看，我们还没有找到与之匹配的信号。”陈凯锋说。

粒子物理标准模型的粒子组成。图//Wikimedia commons“当然，你也可以说宇宙反正是这样运作的，但我们认为背后一定有某种机制导致了这个结果，只是我们找不到而已。陈凯丰还以100多年前的元素周期表为例。最初的元素周期表在东方和西方也是缺失的，但随着新元素的发现，这些空白逐渐被填补了。”现在，标准粒子模型就像一个拼图，有洞，有明显的未完成的工作，但找不到任何东西来填充它。”陈凯丰说道。

国立台湾大学物理系教授陈凯丰。图片/Jane Kezhi

Run III — LHC 改头换面

虽然LHC的Run II呈现的结果出乎意料的平静，但Run III已经做好了明年开始的准备。

在第三阶段，LHC将会碰撞

能量再往上调高至 14 TeV以上，这是 LHC 当初设计的最大许可能量。另一方面，研究团队将对 LHC 做许多技术上的修改测试。这是因为在 Run III 结束后，LHC 将进行一次大改造升级，要将每次参与对撞的粒子数量与密度提升，这样一来，对撞事件发生的次数会跟着上升 5~10 倍。

为了因应这样的升级，许多软硬体、零件也必须跟着升级，其中最重要的一项就是侦测器。比如说目前 LHC 底下的 CMS 实验所装载的量能器，主要材料是以一种铅钨玻璃晶体为材料的闪烁体，而这些安装在侦测器顶盖处的晶体长期接受高辐射剂量，已经有了不少缺陷，变得愈来愈不透明了。陈凯风说：「试想如果升级之后，还用一样的零件材料，那原本经过 10 年才会损坏的，现在只要 1 年就会接近无法运作了。」因此，侦测器必须跟着升级才行。

新的量能器（High Granularity Calorimeter, HGCAL）会以硅半导体材料为主，并且切分成 28 层排成一列，这样做的好处除了较不易打坏外，每一层都能独立送出粒子经过时的位置资料，可以更準确地描绘出粒子穿越侦测器的物理反应。目前由台大物理系教授吕荣祥、裴思达主持的硬体实验室，就正在研製这种新型量能器。再加上也会一同升级的各种装备，未来可以对粒子的物理特性有更精準的量测。

LHC 有来自全世界 85 个国家、超过 8,000 位物理学家参与，可说是全世界最大的实验计画。但在加速器的发展上，LHC 可能还不是终点，未来计画筹建的加速器计画，还包括 CERN 的未来环形对撞机（FCC）、中国的环形正负电子对撞机（CEPC），以及日本的国际直线对撞机（ILC）等。

虽然说这些计画是否真的会有所进展，还要看未来的局势发展，但我们不妨期待包括 LHC 在内的这些实验计画，会继续带给我们怎样的惊喜！就如陈凯风在访谈快结束时所说：「希望我们下次讨论的，是在对撞的数据中，我们发现了什么有趣的新物理！」

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