这是CERN大型强子对撞机的中场休息：这就是为什么

丹尼斯·超额

亚原子射击场上一片寂静。四分之一世纪前，欧洲核子研究中心CERN的物理学家们把他们的职业生涯和政治资本押在了有史以来最大、最昂贵的科学实验--大型强子对撞机上。

对撞机是一种显微镜，它通过在法国-瑞士农村下17英里长的电磁跑道周围抛掷亚原子粒子来工作，每秒将它们粉碎6亿次，并在碎片中筛选新的粒子和自然力。

它也是一台时间机器，提供了宇宙早期流行的物理学的一瞥，并为我们今天看到的宇宙奠定了基础。

奖励来自2012年希格斯玻色子的发现，希格斯玻色子是一种长期寻求的粒子，有助于解释为什么宇宙中存在质量、持久性和生命。人们用香槟和诺贝尔奖来庆祝这一发现。

对撞机将继续粉碎粒子和期望20年。但首先，中场休息。12月3日，粒子束停止嗡嗡作响。引导呼啸而过的质子的巨大磁铁叹了口气，释放了它们的抓地力。在隧道里响的地下探测器从他们的手表上站了下来。

在接下来的两年里，在一系列关闭中的第一次，工程师们将升级对撞机，使其光束更加强烈，仪器更加灵敏和敏锐。

理论物理学家会停下来理解大型强子对撞机迄今为止产生的诱人的、令人困惑的谜团。

当质子碰撞时

对撞机的魔力来自爱因斯坦的格言，即质量和能量是相同的。对撞机能产生的能量越多，碰撞产生的粒子质量就越大。随着对撞机能量的每一次增加，欧洲核子研究中心的物理学家们都能够把时间推得越来越远，更接近大爆炸时的物理学，当时宇宙比今天热得多。

在欧洲核子研究中心的地下环中，大约10，000个超导电磁铁，由一个小城市的电力供电，以99.999999%的光速或7万亿电子伏特的能量引导两束质子在隧道周围的相反方向。这些质子每秒能使17英里的回路运转11000次。（在物理学中，质量和能量都用称为电子伏特的单位来表示。单个质子（普通原子的组成部分）重约10亿电子伏特。）

质子进入对撞机时，原子就像从瓶子里喷出的氢气一样。当原子移动时，电场将它们的电子剥离，留下光秃秃的带正电荷的质子。一系列越来越大、能量越来越强的电磁铁加速了这些过程，直到它们准备好进入对撞机的主环。

当质子最终进入主环时，它们被提升为原始能量的飞行炸弹，当它们从另一个方向迎头撞击相反的数量时，它们就会被粉碎--并重新组合。

质子在真空管道中循环--一个顺时针运行，另一个逆时针运行--这些管道被超导电磁铁包围，就像香肠一样串在隧道周围。为了产生足够的力来弯曲质子，磁铁必须非常强大：8.3特斯拉，比地球磁场强10万倍以上，强到足以撞毁一块精美的瑞士手表。

这样的磁场反过来需要12000安培的电流。这只有在磁体是超导的情况下才是可行的，这意味着电流在没有昂贵的电阻的情况下流动。要做到这一点，磁铁必须过冷；它们沐浴在150吨的超流氦中，温度为1.9开尔文，使大型强子对撞机成为宇宙中最冷的地方之一。

如果这里出了问题，他们可能会出很大的问题。2008年，当对撞机仍在调整时，一对磁铁之间的连接爆炸，导致运行推迟了近两年。

储存在磁场中的能量相当于一架满载的巨型喷气式飞机每小时500英里；如果磁铁失去冷却并加热，所有的能量必须去某个地方。质子束本身可以穿透许多英尺的钢。

四个探测器的故事

横梁在跑道周围的四个点交叉。在每一个转折点，巨大的探测器--地下堆满电子、电缆、计算机、管道、磁铁甚至更多磁铁的大山--都被竖立起来。两个最大、最昂贵的实验，CMS（紧凑型μ子螺线管）和Atlas（环形LHC装置）分别位于圆形轨道的正午和6点位置。

包裹在它们周围的仪器，就像洋葱的层层，旨在测量碰撞可能喷出的每一个能量或物质火花。硅探测器追踪像电子这样的轻质带电粒子的路径。闪烁晶体捕获伽马射线的能量。带电气体室跟踪更远的粒子。强大的磁铁弯曲了这些粒子的路径，这样就可以确定它们的电荷和质量。

质子束在四个探测器中每秒穿越4000万次，每秒钟产生大约10亿次实际碰撞。

让宇宙时钟倒转

为什么宇宙中有什么而不是没有？

回答这个问题的是被称为LHCb的探测器的任务，它位于对撞机表盘的大约4点钟。“B”代表美，也代表B介子，一种对实验至关重要的亚原子粒子。

当物质被创造出来时--在对撞机中，在大爆炸中--根据我们所知道的物理定律，应该会形成等量的物质及其对立物--反物质。当物质和反物质相遇时，它们互相湮灭，产生能量。

按照这个逻辑，当物质和反物质在大爆炸中形成时，它们应该相互抵消，留下一个空虚的宇宙。但不是空的：我们在这里，我们的反物质不在。

为什么不呢？物理学家怀疑是物质和反物质之间某种微妙的不平衡造成的。LHCb实验寻找B介子行为中的不平衡，这些介子通常是从质子碰撞中喷射出来的。

介子有一种奇特的性质：它们在物质和反物质之间来回闪烁。传感器记录它们通过LHCb房间的过程，寻找粒子和它们的反物质孪生体之间的差异。任何差异都可能是为什么几十亿年前物质繁荣而反物质灭亡的线索。

8点钟左右在对撞机表盘上的是爱丽丝，另一个有特殊用途的探测器。它也被固定在遥远的过去：大爆炸后几微秒的短暂时刻，在第一批质子和中子从夸克和胶子的“原始汤”中凝结出来之前。

爱丽丝的工作是研究遥远过去的微小液滴，这些液滴是对撞机撞击铅离子而不是质子时产生的。研究人员预计这种物质，在行话中被称为夸克胶子等离子体，表现得像气体，但事实证明它更像液体。

筛选数据

对撞机巨大的探测器就像1亿像素的照相机，每秒能拍下4000万张照片。那次洪水中的大部分数据立即被扔掉了。触发器被编程为挑出物理学家认为可能有趣的事件，每秒只节省大约1000个碰撞事件。尽管如此，欧洲核子研究中心的计算机中仍有大量数据。

根据现代量子物理学的赌场规则，任何可能发生的事情最终都会发生。在单个质子通过对撞机发射之前，计算机已经根据已知的物理学计算出碰撞的所有可能结果。真实数据中任何在某种能量下的意外碰撞都可能是未知物理的信号，一种新的粒子。

希格斯就是这样被发现的，从2011年秋天的统计噪音中浮出水面。每100亿次碰撞中只有一次产生希格斯玻色子。希格斯粒子瞬间消失，无法直接观察到，但它衰变成碎片，可以测量和识别。

最终从数据中脱颖而出的是一种重量相当于碘原子的粒子的证据：一片无形的力场，像糖蜜一样渗透空间，阻碍运动，并为穿过它的物体分配质量。

所以在2012年，在半个世纪和数十亿美元之后，成千上万的物理学家庆祝了。为玻色子命名的彼得·希格斯与独立预测了粒子存在的弗朗索瓦·恩格勒特分享了诺贝尔奖。

地下的间歇

目前的关闭是一对数十亿美元的升级中的第一个，这些升级旨在到本世纪末将大型强子对撞机的生产率提高10倍。

第一次停摆将持续两年，至2021年；在这段时间里，工程师们将改进加速质子的一系列较小的赛道，并将它们注入主对撞机。对撞机将运行两年，并在2024年再次关闭两年，这样工程师就可以安装新的磁铁来加强质子束和碰撞。

该对撞机于2026年转世为高光度LHC，计划再运行十年，直到2035年左右，这意味着它探索人类知识边缘的职业生涯仍在开始。从对撞机的生产力来看，以数万亿次亚原子碰撞来衡量，它95%以上的科学潜力都在前面。

Atlas和CMS实验都将在接下来的两次关闭中得到升级，包括新的硅跟踪器，以取代被辐射烧毁的旧跟踪器。

为了跟上碰撞率的提高，Atlas和CMS都不得不升级挑剔的触发系统，这些系统决定了哪些碰撞事件需要保留和研究。目前，在每秒10亿次事件中，它们可以保持1500次；升级将把这个数字提高到10,000。

会有多大的碰撞。物理学家用碰撞来测量他们的对撞机的生产率或光度。大约3000万亿次碰撞才确认了希格斯玻色子。截至去年12月关闭，对撞机已经记录了大约2万兆次碰撞。但那些过去是，现在也是，早期。

到2037年，大型强子对撞机应该已经产生了大约400万兆个原始火球，谁知道会发生什么。整个宇宙仍待争夺。

希格斯之后

发现希格斯玻色子是一个吉祥的开始。但一个谜仍然存在。

在过去的一个世纪里，物理学家已经学会了解释自然界中一些最伟大和最微妙的现象--彩虹的弧形、栀子花的香味、猫的胡须的抽动--是几个基本粒子通过四种基本力相互作用，根据一组被称为标准模型的方程式，与被称为玻色子的带力粒子玩捕捉游戏。

但是为什么这些粒子和这些力呢？为什么宇宙是由物质而不是反物质构成的？在黑洞的中心发生了什么，或者在大爆炸的第一个瞬间发生了什么？如果希格斯玻色子决定了粒子的质量，那么什么决定了希格斯玻色子的质量呢？换句话说，谁看守守望者？

标准模型没有说。可能回答这些问题的粒子还没有在对撞机中出现。CERN总干事法比奥拉·吉亚诺蒂（Fabiola Gianotti）对此表示惊讶，他说：“我本以为新的物理会在大型强子对撞机的能量尺度上显现出来。”

一些物理学家的回应是推测多重宇宙和其他奇异现象。Gianotti说，一些线索可能来自研究块上的新粒子--希格斯粒子。

“当我们理解事物时，我们物理学家很高兴，但当我们不理解时，我们更高兴，”她说。“今天我们知道我们并不理解一切。我们知道我们错过了一些重要和根本的东西。这非常令人兴奋。“