欧洲核子研究中心的粒子对撞机将很快重启。“可能会发生一场革命，”科学家说。
在日内瓦附近的大型强子对撞机内，一名工人在 2020 年维护期间使用自行车在其 17 英里的隧道中导航。信用...Valentin Flauraud/法新社-盖蒂图片社
4 月，位于日内瓦郊外的欧洲核子研究中心 (CERN) 的科学家们再次发射了他们的宇宙炮——大型强子对撞机。在因维修和升级而停工三年后，该对撞机已恢复在其 17 英里的电磁地下跑道周围发射质子——氢原子的裸露内脏。七月初，对撞机将开始将这些粒子碰撞在一起以产生原始能量的火花。因此，在新的发展和粒子物理学家重新燃起希望的情况下，寻找宇宙秘密的伟大游戏即将再次上演。甚至在翻新之前，对撞机就已经暗示大自然可能隐藏着一些壮观的东西。伦敦帝国理工学院的粒子物理学家 Mitesh Patel 在 CERN 进行了一项实验，他将他之前运行的数据描述为“我在职业生涯中看到的最令人兴奋的一组结果”。十年前，欧洲核子研究中心的物理学家因发现希格斯玻色子而成为全球头条新闻，希格斯玻色子是一种长期寻找的粒子，它将质量赋予宇宙中的所有其他粒子。还有什么要找的?乐观的物理学家说，几乎所有的东西。
当欧洲核子研究中心对撞机于 2010 年首次启动时，宇宙正处于争夺之中。这台机器是有史以来最大、最强大的机器，旨在寻找希格斯玻色子。该粒子是标准模型的基石，标准模型是一组方程式，解释了科学家们能够测量的关于亚原子世界的一切。
但是标准模型没有解释关于宇宙的更深层次的问题：宇宙从何而来?为什么它是由物质而不是反物质构成的?弥漫宇宙的“暗物质”是什么?希格斯粒子本身是如何具有质量的?物理学家希望在 2010 年大型对撞机首次启动时能够找到一些答案。除了希格斯粒子，什么都没有出现——尤其是没有新的粒子可以解释暗物质的本质。令人沮丧的是，标准模型仍然没有动摇。
欧洲核研究中心 (CERN) 的控制室于 4 月重新开放。信用...皮埃尔阿尔布伊/路透社
对撞机于 2018 年底关闭以进行大规模升级和维修。根据目前的时间表，对撞机将运行到 2025 年，然后再关闭两年，以便安装其他广泛的升级。在这组升级中，对位于质子束碰撞并分析碰撞碎片的四个点的巨型探测器进行了改进。从 7 月开始，这些探测器将为它们完成工作。质子束被挤压以使其更加强烈，增加了质子在交叉点碰撞的机会——但以需要相互区分的多次喷射粒子的形式给探测器和计算机造成了混乱。“数据将以比我们习惯的速度更快的速度进入，”帕特尔博士说。曾经在每个光束交叉处仅发生几次碰撞，现在将有五次以上。
“从某种意义上说，这让我们的生活变得更加艰难，因为我们必须能够在所有这些不同的互动中找到我们感兴趣的东西，”他说。“但这意味着看到你正在寻找的东西的可能性更大。”与此同时，各种实验揭示了标准模型中可能存在的裂缝——并暗示了一种更广泛、更深刻的宇宙理论。这些结果涉及亚原子粒子的罕见行为，我们在宇宙看台上的大多数人都不熟悉其名称。以 μ 子为例，它是一种亚原子粒子，去年曾一度出名。μ子通常被称为脂肪电子。它们具有相同的负电荷，但质量是其 207 倍。“谁命令的?” 物理学家伊萨多·拉比 (Isador Rabi) 在 1936 年发现 μ 子时说。没有人知道 μ 子在宏伟计划中的位置。它们是由宇宙射线碰撞和对撞机事件产生的，它们在几微秒内放射性衰变成一团电子和称为中微子的幽灵粒子。去年，伊利诺伊州费米国家加速器实验室的一个由大约 200 名物理学家组成的团队报告说，在磁场中旋转的 μ 子摆动速度明显快于标准模型的预测。与理论预测的差异出现在一个名为 g-2 的参数值的小数点后八位，该参数描述了粒子如何响应磁场。科学家们将这种微小但真实的差异归因于未知粒子的量子低语，这些粒子将在 μ 子周围短暂实体化并影响其特性。确认粒子的存在最终将打破标准模型。
位于伊利诺伊州巴达维亚的费米实验室加速器实验室。在大型强子对撞机建成之前，费米实验室的 Tevatron 是世界上最强大的对撞机。信用...美国能源部
但两组理论家仍在努力协调他们对 g-2 应该是什么的预测，同时等待来自费米实验室实验的更多数据。“g-2 异常仍然非常活跃，”伊利诺伊大学的物理学家 Aida X. El-Khadra 说，他帮助领导了一项为期三年的名为 Muon g-2 理论倡议的努力，以建立共识预测。“就我个人而言，我乐观地认为标准模型中的裂缝会导致地震。然而，裂缝的确切位置可能仍然是一个移动的目标。”介子也出现在另一个异常中。这部戏剧中的主角，或者可能是反派，是一种称为 B 夸克的粒子，它是构成质子和中子等较重粒子的六种夸克之一。B 代表底部，或者，也许，美丽。这种夸克出现在称为 B 介子的二夸克粒子中。但是这些夸克是不稳定的，很容易以违反标准模型的方式分崩离析。B夸克的一些罕见衰变涉及菊花链反应，最终形成一种不同的、更轻的夸克和一对称为轻子的轻质粒子，要么是电子，要么是它们丰满的表亲，μ子。标准模型认为电子和μ子同样可能出现在这个反应中。(还有第三种更重的轻子称为 tau，但它衰减太快而无法观察到。)但帕特尔博士和他的同事发现的电子对比 μ 对多，违反了称为轻子普遍性的原理。“这可能是一个标准模型杀手，”帕特尔博士说，他的团队一直在用大型强子对撞机的大型探测器之一 LHCb 研究 B 夸克。这种异常，就像μ子的磁异常一样，暗示着一个未知的“影响者”——一种干扰反应的粒子或力。帕特尔博士说，如果这些数据在即将到来的对撞机运行中能够成立，那么最引人注目的可能性之一就是称为轻夸克的亚原子推测。如果粒子存在，它可以弥合构成物质宇宙的两类粒子之间的差距：轻子——电子、μ子和中微子——以及由夸克构成的更重的粒子，如质子和中子。诱人的是，有六种夸克和六种轻子。
帕特尔博士说：“我们将以更加乐观的态度进入这场比赛，认为可能会发生一场革命。” “手指交叉。”这个动物园里还有另一种表现奇怪的粒子：W 玻色子，它传达了所谓的导致放射性衰变的弱力。5 月，费米实验室 (Fermilab) 的对撞机探测器 (CDF) 的物理学家报告了一项为期 10 年的努力来测量这种粒子的质量直到大型强子对撞机建成。
费米实验室的科学家 Paolo Girotti 在 2017 年通过 Muon g-2 实验调整仪器。信用...Reidar Hahn/美国能源部
根据标准模型和之前的质量测量，W 玻色子的重量应该约为 803.57 亿电子伏特，这是物理学家青睐的质能单位。相比之下，希格斯玻色子重达 1250 亿电子伏特，大约相当于一个碘原子。但是 W 的 CDF 测量值是有史以来最精确的，比预期的要高 804.33 亿。实验者计算出，在 2 万亿分之一(物理学术语中为 7-sigma)中，只有一次机会表明这种差异是统计上的侥幸。W玻色子的质量与其他粒子的质量有关，包括臭名昭著的希格斯粒子。所以这个新的差异，如果它成立，可能是标准模型的另一个裂缝。尽管如此，随着更多数据的出现，所有三位反常现象和理论家对革命的希望都可能化为乌有。但对于乐观主义者来说，这三者都指向一个令人鼓舞的方向，即隐藏粒子或干扰“已知”物理的力。“因此，在大型强子对撞机上，一个可以解释 g-2 和 W 质量的新粒子可能触手可及，”在 CERN 从事其他实验的威斯康星大学物理学家凯尔·克兰默 (Kyle Cranmer) 说。
欧洲核子研究中心和伦敦国王学院的理论家约翰·埃利斯指出，至少已经发表了 70 篇论文，提出了对新的 W 质量差异的解释。“其中许多解释还需要大型强子对撞机可能接触到的新粒子，”他说。“我提到暗物质了吗?所以，有很多事情要注意!”在即将到来的跑步中，帕特尔博士说：“这将是令人兴奋的。这将是一项艰苦的工作，但我们真的很想看看我们得到了什么，以及数据中是否有真正令人兴奋的东西。”他补充说：“你可以从事科学事业，但不能说一次。所以感觉像是一种特权。”
