本文是與倫敦瑪麗皇后大學(QMUL)的研究人員合作的「未知研究」項目的一部分，為您帶來物理學前沿的最新研究。
2012年7月的一天，物理學登上了世界新聞的中心：歐洲粒子物理研究所的科學家宣布他們發現了希格斯玻色子。早在1964年，人們就對這種難以捉摸的小粒子進行了預測，並最終在大型強子對撞機(LHC)上瞥見了它的蹤跡。2013年，彼得·希格斯(Peter Higgs)和弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)因他們的預測獲得了諾貝爾物理學獎。
但是對LHC新物理的探索還沒有結束。「僅僅因為我們發現了一種新粒子，並不意味著這項工作就完成了，」Adrian Bevan說，他是QMUL的一名粒子物理學家，參與開發一種新的更強大的LHC。「1964年提出了挑戰，『去發現這個新粒子』。這花了一點時間，將近50年。現在我們已經發現了它我們仍然不知道它是否和我們在64年設想的完全一樣。如果是的話，接下來的問題是，它是否是我們尚未在實驗中偶然發現的更高理論中的希格斯玻色子之一。」
Peter Higgs在2008年訪問LHC。圖片來源：CERN
希格斯玻色子只是物理學家們正在研究的巨大拼圖中的一塊：用來描述構成我們生活的世界的所有基本粒子以及它們相互作用的力。在這個背景下，有一個偉大的想法叫做大統一：也許在宇宙之初，我們今天看到的所有力，引力，電磁力，弱核力和強核力，都是同一種東西。隨著宇宙從大爆炸中冷卻下來，單一的超級力在幾個方面變得不平衡，凝結成我們現在認為不同的各種力。
統一的想法有著悠久的歷史。17世紀，艾薩克·牛頓(Isaac Newton)證明，導致蘋果落地的力和導致月球繞地球運行的力，雖然明顯不同，但其實是同一種力：引力。大約180年後，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)意識到，靜電學和磁學只是一種叫做電磁學的東西的不同方面。1984年Abdus Salam和Steven Weinberg指出電磁力和弱核力，後者導致放射性衰變，是電弱力的不同方面。「由於過去的表現，我們期望，或者希望，可能會有某種大統一理論，」貝文說。
01尋找超對稱
有一個候選理論，用數學的語言來描述這樣一個統一的圖景：它被稱為弦理論。在弦理論框架中有許多不同的模型。每一種都有一種被稱為超對稱的特性，並且每種都給出了自己的預測範圍。到目前為止，還沒有任何實驗證據證明這個框架是正確的，但它以其數學上的美和優雅吸引了許多物理學家，尤其是那些偏向理論的物理學家。超對稱給實驗工作者帶來了新的挑戰。「我們基本上處於現代物理學的一個轉折點，」貝文說。「我們想推進我們的理解，我們從理論方面得到了很多啟發。這項工作給實驗工作者提出了挑戰，讓他們得到一個改變遊戲規則的實驗結果。」
LHC的鳥瞰圖。CMS和ATLAS實驗(如圖所示)參與了2012年希格斯玻色子的發現。圖片來源：CMS
用實驗來解釋超對稱的一種方法是尋找以前從未被觀測到的粒子種類，但根據理論它們應該是存在的。我們所知道的每一個粒子都應該有一個孿生粒子，一個超對稱的夥伴粒子。就希格斯玻色子而言，各種版本的理論預測，甚至可能存在一整套不同種類的希格斯玻色子。「大型強子對撞機正在進行的大量工作就是尋找一些超對稱的跡象，而這些假設的額外希格斯粒子是人們將要尋找的超對稱的一個方面，」貝文說。
超對稱的證據可能只有在極高的能量下才會顯現出來。大型強子對撞機(LHC)繞著一個大環加速稱為質子的粒子，這個大環位於瑞士和法國邊界下一個27公裡長的圓形隧道中。當這些質子相互碰撞和分裂時，可能會產生新的粒子。質子碰撞的能量需要很高。「我們目前在大型強子對撞機上所探索的能量和我們希望能統一的能量之間存在著巨大的能量尺度。在這個範圍內，我們應該會看到一些新的現象發生，儘管這還不是絕對的。但是我們有強有力的理論跡象表明，在這個高能量範圍內應該會出現新的物理現象。」
02新一代大型強子對撞機
我們需要的是一個更強大的LHC。目前，大型強子對撞機正在進行升級，將把質子碰撞的能量提升到原設計的14萬億電子伏。但是貝文和其他人正在為LHC進行更雄心勃勃的高強度升級，他們希望在2025年左右投入使用。這將使更多的質子以更緊密的束形式通過加速器，增加加速器的亮度——即單位時間內發生的相互作用的數量。LHC的新高亮度版本預計將產生10倍於LHC壽命的數據。
這一點很重要，因為更多的相互作用意味著更多的數據可以用來研究希格斯玻色子的性質。從統計學的角度來看，它也很重要。物理學家想要了解和發現的粒子，在它們蛻變成其他東西之前，只存在極短的時間，所以不可能直接看到它們。「甚至在粒子擴展到探測器所在的地方之前，那一刻已經過去了，這些粒子已經衰變。」貝文說，「有時候，它們也會再次腐爛，所以最終會發生一連串的事情。」
所有的物理學家都必須要有旁證。他們可以尋找處於衰變級聯末端的粒子，然後使用複雜的算法來逆向工程到底發生了什麼。但是正如民意測驗者不能通過詢問少數人他們將投票給誰來推斷國家的情緒一樣，物理學家也不能從少數的相互作用中推斷粒子的存在或屬性。這就是為什麼高亮度——大量的數據——是如此重要的一個原因。
CMS探測器在2012年記錄的一次事件顯示了希格斯玻色子衰變為兩個光子的預期特徵。圖片來源：CMS
貝文將他工作生涯的一部分用於開發探測器，這些探測器將探測許多高能碰撞中發生的情況。「我們正在與英國和世界各地的合作者合作，開發速度足夠快、輻射強度足夠強的矽探測器，以便在高亮度的大型強子對撞機中運行。」他解釋說，「我們正在嘗試做的是建造一個大尺寸的，大約100平方米的矽(探測器)，我們把它包裹在相互作用點周圍。我們把(相互作用點)包裹在一種矽的洋蔥殼中，這樣當質子與質子碰撞時，(產生)其他可能感興趣也可能不感興趣的粒子，這些粒子穿過矽並沉積電荷。我們可以收集並處理這些費用。」這是逆向工程過程的起點。
建造高亮度的LHC是一個長期的項目。「我們的預期是，在未來的十年裡，準備工作將會到位，」貝文說。「然後，從實驗的角度來看，大約在我們想要安裝探測器的5年前，我們需要進入生產-建造階段。在車間和實驗室裡的很多活動，就像我們在QMUL的那些，將會建造和測試所有的組成部分。當然，我們需要的事情之一是與工業的某些部分進行強有力的合作。我們不可能自己完成所有這些，我們也需要依靠高科技產業和精密工程公司來支持。」
03更多的奧秘
這是一項巨大而昂貴的努力，但潛在的回報不僅僅是確定希格斯玻色子的確切性質。如果超對稱的證據確實被發現，那麼這將使我們更接近於解決宇宙的其他奧秘。其中之一是宇宙中大約25%的物質對我們來說是不可見的，其性質也是未知的。理論表明，這種所謂的暗物質可能是由那些尚未被探測到的超對稱粒子組成的。另一個謎團與一種我們已知存在的物質形式有關，即反物質。這裡的問題是，根據標準理論，宇宙中的反物質應該比我們實際觀察到的要多得多。物質和反物質之間明顯的不對稱是Bevan和他在QMUL的同事們特別感興趣的問題。而LHC的高亮度版本很可能會進一步闡明這一點。
當然，有可能物理學家預測的新粒子或新現象都不會在LHC中被發現。但這不算是失敗，因為將生成的大量數據很可能指向新的方向。貝文說：「如果我們沒有發現什麼東西，比如一個在未來十年突然冒出來的新粒子，我們可能會發現，實際上，一些其他的測量會給我們一些如何前進的跡象。」「我有信心，在未來幾十年裡，我們將了解到一些關於自然的非常有趣的事情。」
作者： Marianne Freiberger翻譯： If Any