世界上最大的粒子加速器LHC已經穩定運行了十年，它是迄今為止人類製造的最複雜的超大機器之一，LHC位於法國和瑞士兩國的邊界地帶，埋藏在地下100米深處的加速器圍成了周長27公里的環圈。2008年9月10日，科學家第一次對加速器注入了來源於氫原子核的質子，他們的歡呼雀躍沒能持續幾天，2008年的9月22日，加速器發生了一起故障，有50多塊大磁鐵在實驗時被損壞，而加速器總共安裝了6000塊大磁鐵，加速器內的磁場能夠將質子束縛在圓形的管道中，修復工程進行了一年多，2010年3月，LHC重新投入運行。LHC是歐洲原子核研究中心（CERN）建造的一個粒子物理實驗室，CERN是在第二次世界大戰後設立的研究組織，成立該組織的目的是在科學精神的指引下將分裂的歐洲重新團結起來，以此作為重建被戰火蹂躪的歐洲的一個重大項目，投入的經費達到了100億歐元。LHC在科學理念的召喚下轉變為一個國際性的科研機構，來自全球6個大洲的100個國家的數千名科學家在“超級實驗室”開展科學實驗。
人們一直對LHC的運動方式和超大規模感到好奇，它的基本原理是將經過加速的兩束質子流以最高的能量進行碰撞。在周長27公里的環型圈上設置了6個實驗室，建造在地下洞穴的巨型探測器用於收集質子碰撞後留下的信息。建造LHC的目的是用實驗的手段來揭示微觀宇宙的奧秘，我們知道，基本粒子是組成物質的“基礎材料”，它們的存在和相互作用屬於最基礎的科學問題。LHC過去十年的成績沒有讓人失望，科學家用這臺“龐然大物”的機器發現了希格斯粒子，它是科學家長期以來尋找的基本粒子，希格斯粒子的發現證實了科學家在1964年做出的預言，當將解釋兩種自然基本力的兩種理論結合起來時，他們預言了希格斯粒子的存在。LHC其中之一的實驗室稱之為緊湊型繆子螺旋管探測器（CMS），設置該實驗室的目的是為了尋找預言中的希格斯粒子。對於LHC而言，最有意義的發現當屬讓希格斯粒子“重見光明”，2012年7月4日，科學家在CERN公佈了令人驚奇的發現，全世界的科學愛好者為之振奮。希格斯玻色子在粒子物理的標準模型中屬於最後一個被發現的粒子，可以將它稱之為粒子版圖的最後一塊“拼圖”。粒子標準模型以一個圖譜的樣式表現出來，它覆蓋了所有已知的17種基本粒子、三種自然基本力和它們的相互作用，但是，標準模型沒有將引力納入其中，它是一種得到了實驗證實的令人難以置信的完美理論，6位科學家為希格斯粒子理論作出了重要貢獻，其中的兩位科學家由於希格斯玻色子的發現而獲得了2013年的物理學諾貝爾獎。
既然科學家已經發現了希格斯粒子，那麼為什麼繼續進行粉碎質子的實驗？這是因為有許多希格斯粒子屬性的問題需要得到進一步的解釋，還有許多粒子物理的問題通過標準模型不能回答，比如：天文學家在觀測星系和大尺度的宇宙結構時發現，在宇宙中存在比能夠觀測到的物質更多的“物質”，他們將這種看不見的物質稱之為“暗物質”，最常見的一種解釋是暗物質由暗物質粒子組成，LHC的物理學家希望用實驗的手段尋找它們的痕跡，進而研究它們的屬性。2018年9月，在ATLAS和CMS實驗室工作的科學家宣佈了一項令人鼓舞的成果，他們第一次發現了希格斯粒子的衰變，這種衰變以多種方式發生，有些衰變的方式是科學家熟悉的、或是一種常見的衰變；有些衰變的方式是科學家不熟悉的、或是一種不常見的衰變。粒子物理的標準模型預測了希格希粒子每一種的衰變方式，科學家需要用實驗結果來檢驗標準模型的預測，目前的檢測顯示了標準模型對希格斯粒子衰變的預測是正確的，這再一次證明了粒子標準模型的成功。
宇宙中的更多謎團等待著科學家的回答，面對一個接一個的問題，他們也許需要建立新的物理學理論，有些問題至今沒有獲得令人滿意的答案，諸如：在我們觀測的宇宙中，為什麼物質的數量遠遠超出了反物質？在四種基本力中為什麼引力最弱？它比其它三種自然基本力弱小了若干個數量級。LHC的國際合作科學家將繼續檢驗粒子物理標準模型的有效性，他們既希望看到實驗數據符合理論的描述，也希望看到不一樣的結果，如果數據與理論的描述不符，這可能意味著存在他們不能解釋的現象，LHC的未來目標就是儘可能地發現科學家未有理解的實驗數據。有成百上千的新奇理論預測了新物理學的出現，對於沒有得到觀測證實的理論描述，物理實驗是最好的檢測手段。CERN計劃將LHC運行更長的時間，至少將它的探測使命延長到2035年，科學家制定了這段時期對加速器和探測器更新換代的計劃，也許到那時現在的一些科學家退休了，LHC還在“服役”。十年之前，LHC的科學家焦急地等待第一束質子在加速器“飛轉”，現在，他們正忙於對大數據“寶庫”的挖掘，也許從中能夠尋找導致科學發現的新路徑。面對未來的二十年，LHC的各國科學家將攜手奮進，期待在粒子物理學領域獲得新的成功。
（科普編譯：鄧如山
時間：2019-1-7）
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