逐渐苏醒的巨兽
作者：苗千
欧洲核子中心的工程师正在检测将安装到大型重子对撞机里的水晶块
这台机器经过了两年多的休整和升级之后，在2015年上半年开始逐渐苏醒。现在它拥有了更高的能量，即将打破自己此前创造的纪录，进行人类历史上最高能量的重子对撞实验，无论实验结果如何，都必将给人类粒子物理学带来更加深远的影响。
欧洲核子中心宣布，在2015年5月20日，升级之后的LHC在进行质子对撞实验中，对撞能量首次达到了13兆电子伏特（13 TeV），这个能量打破了它此前在2012年发现希格斯玻色子时进行的8兆电子伏特的粒子对撞能量纪录。目前，在LHC工作的物理学家们还在进行最后的调试工作，他们需要有稳定的质子束进行对撞，当质子束在6.5兆电子伏特的能量下运行时，直径只有20微米，因此在机器中做环形运动的质子束会时常错过对方，无法在指定的地点进行对撞，所以科学家们必须对隧道进行扫描，随时监视和调整粒子运行的轨道。
这次创纪录的质子对撞实验并不会用于物理学研究，一旦科学家们确定了在高能量状态下粒子对撞的最佳位置，他们将会在相应的位置安装扫描仪，随后在这个周长27公里的圆形隧道上的ALICE、ATLAS、CMS和LHCb几个实验将会正式启动，LHC将进入工作状态，成为一个制造高能量粒子对撞的机器，为物理学家提供源源不断的实验数据。
LHC在2012年实现了粒子物理学有史以来最大的突破，发现希格斯玻色子，这意味着标准模型的最终完成，这个模型准确地描述了目前所有人类已知粒子的形成、行为和衰变。与其说这是一个结束，不如说更是一个开始。在标准模型完成之后，粒子物理学家们开始反其道而行之，试图寻找打破标准模型的途径，希望能够发现一些不被标准模型包含在内的粒子，或是一些粒子不曾被标准模型所描述过的行为。之所以要这样做，是因为标准模型虽然可以自洽，但是大家都明白它并不是一个完备的模型，它远还没有包含宇宙中所有的物理现象。
尽管标准模型包含了目前人类所有已知的基本粒子，但是它并没有描述目前宇宙学中最大的谜团——暗物质的性质；另一方面，标准模型也没有描述引力作用，要想实现引力作用与其他几种基本作用在某种框架下的统一，也必须要突破标准模型的限制。在理论物理学家中，目前流行着一种“超对称”理论，这是一个包含了引力作用甚至是暗物质粒子的数学结构，很多理论物理学家都对这个漂亮的理论充满期待，希望这个数学模型可以最终被证实，实现物理学的大统一。超对称理论预测了一种“超粒子”的存在，很多粒子物理学家也寄希望于升级之后的LHC可以在更高能量的粒子对撞实验中发现超粒子的存在，打破标准模型，进而通过实验证明超对称理论。
一名技术人员正在大型强子对撞机的CMS监测器旁工作
物理学家们从未在千辛万苦完成一个理论框架之后又如此迫切地希望可以迅速打破它。但是，起码在目前看来，想要打破这个框架可能并不比完成它更容易。目前所有粒子对撞实验的结果都在标准模型的描述范围之内。2015年5月13日，在LHC进行实验的CMS项目与LHCb项目的几百名科学家共同在《自然》Nature）杂志发表论文——《通过CMS与LHCb合作数据分析对于Bs0→μ+μ-罕见衰变的观察》（Observation of the rare Bs0→μ+μ- decay from the combined analysis of CMS and LHCb data）。这篇论文描述了一种极为罕见的粒子衰变现象，人类还是第一次在实验中发现这种以前仅存在于理论中的衰变。这种罕见衰变过程的实验证实对于粒子物理学的研究有很重要的指导意义——遗憾的是，这种现象仍然在标准模型的框架之中，也就是说，粒子物理学家们又一次证明了标准模型的完备。
CMS项目与LHCb项目的物理学家们在LHC的粒子对撞数据中发现了一种名为“中性B介子”的罕见衰变。B介子是一种含有反底夸克的介子，中性B介子是由其中的反底夸克与一个下夸克或一个奇夸克组合而成，它像是一种由更重的夸克所组成的另一个版本的质子，但它的质量超过质子的4倍。这种粒子在大多数情况下都会衰变为一个mu介子和一个中微子，但是标准模型也预言了中性B介子可以衰变为一对正反mu介子。这种衰变形式极为罕见，由一个反底夸克和一个奇夸克组成的中性B介子每10亿次衰变才会出现4次，而由一个反底夸克和一个下夸克组成的中性B介子每100亿次衰变才会出现1次这样的衰变。
出现这样罕见衰变的概率如此之低，想要发现它的难度也就可想而知。粒子物理学家们必须观测大量的B介子衰变，并且要排除大量的随机产生出的正反mu介子对。对于不稳定的微观粒子来说，幸好中性B介子的寿命足够长，在一个标准的粒子对撞实验中它可以运行几厘米之后才发生衰变，这给了物理学家们足够的观测证据，在结合了两个观测设备的数据之后终于确定观测到了这种罕见的衰变现象。
尽管粒子物理学家们观测到了这种他们寻找了30年的罕见衰变，但是这个结果又一次证明了标准模型的强大力量，因此很多人也难免对此感到失望，这意味着想要突破标准模型恐怕会更加困难。自从物理学诞生以来，物理学家们持之以恒地追求着大统一，希望能够发现一种完备的理论可以包含一切宇宙现象，为此已经出现了无数美妙的数学模型。但物理学不是数学，它需要实验的证实。目前地球上唯有LHC这样一台蛰伏了两年、正在逐渐苏醒的巨大机器被物理学家们寄予无数的希望，想从中找到突破标准模型的路径，但他们也必须做好准备，如果升级之后的LHC的实验结果依然在标准模型的描述范围之内，物理学的未来又在何处呢？ 粒子科学物理学知识