編譯 苦山

在阿爾卑斯山脈的地下深處，科學(xué)家們幾乎無(wú)法抑制他們的興奮之情。

他們交頭接耳，談?wù)撝切氐赘淖兾覀儗?duì)于宇宙之認(rèn)識(shí)的發(fā)現(xiàn)。

“自從成為粒子物理學(xué)家以來(lái)，我一直在尋找第五種力，”山姆·哈珀博士（Sam Harper）說(shuō)，“也許就是今年了?！?/p>

在過(guò)去的20年里，山姆一直在試圖尋找第五種自然力存在的證據(jù)，此前，物理學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了四種自然力：引力、電磁力和兩種核力。

他把希望寄托在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的重大維護(hù)升級(jí)上。這是世界上最先進(jìn)的粒子加速器——這臺(tái)巨大的機(jī)器通過(guò)使原子相互撞擊將它們粉碎，以探究它們內(nèi)部有什么。

經(jīng)過(guò)三年的升級(jí)，對(duì)撞機(jī)的功能得到了進(jìn)一步的提升。它的儀器更加靈敏，使得研究人員能夠以更高的分辨率研究來(lái)自原子內(nèi)部的粒子對(duì)撞；它的軟件得到了改進(jìn)，令它能夠以每秒3 000萬(wàn)次的速度獲取數(shù)據(jù)；它的粒子束更窄，這大大增加了對(duì)撞的次數(shù)。

這一切意味著，如今正是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)最有可能找到對(duì)科學(xué)界而言全新的亞原子粒子的時(shí)刻。人們希望它能有所發(fā)現(xiàn)，引發(fā)一百年以來(lái)最大的物理學(xué)革命。

研究人員不僅相信他們或許能發(fā)現(xiàn)全新的第五種自然力，還希望找到一種名為暗物質(zhì)的不可見(jiàn)物質(zhì)的存在證據(jù)，這種物質(zhì)構(gòu)成了宇宙的大部分。

這里的研究人員面臨著交付成果的壓力。許多人期望對(duì)撞機(jī)如今已找到了開(kāi)拓物理學(xué)新領(lǐng)域的證據(jù)。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）是歐洲核子研究中心（CERN）的一部分，研究中心位于瑞士和法國(guó)的邊境，就在日內(nèi)瓦郊外。當(dāng)人們走近時(shí)，它看上去像是一片不起眼的建筑群——由20世紀(jì)50年代的辦公樓和宿舍組成，綿延散落在一片6.5平方公里的區(qū)域里，其間有修剪整齊的草坪和蜿蜒曲折的道路，這些道路均以著名物理學(xué)家的名字命名。

但是在地下100米處，它是一座科學(xué)的大教堂。我得以踏進(jìn)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的核心，進(jìn)入其中一臺(tái)巨型探測(cè)器，后者達(dá)成了我們這一代人最重大的發(fā)現(xiàn)之一：希格斯玻色子。如果沒(méi)有這種亞原子粒子，我們所知道的許多其他粒子都不會(huì)擁有質(zhì)量。超環(huán)面儀器長(zhǎng)46米，高25米。它是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)用來(lái)分析由自身制造的粒子的四種儀器之一。

它由7 000噸金屬、硅、電子器件和線路精密而精確地組裝在一起。它是一件極為美麗的事物。倫敦瑪麗皇后大學(xué)的瑪塞拉·博納博士（Marcella Bona）用“莊嚴(yán)宏偉”一詞形容它。她是使用超環(huán)面儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家之一。

眼前的景象令我心生敬畏?，斎嬖V我探測(cè)器在對(duì)撞機(jī)停機(jī)的三年期間有了哪些改進(jìn)。

“就我們實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)檢測(cè)、收集和分析能力而言，將會(huì)提升兩到三倍，”她對(duì)我說(shuō)，“整條實(shí)驗(yàn)鏈已經(jīng)升級(jí)?！?/p>

地下100米處的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)內(nèi)部：我被帶領(lǐng)參觀一座“宏偉的科學(xué)大教堂”

超環(huán)面儀器由7 000噸金屬、硅、電子器件和線路精密而精確地組裝在一起。如今的它比以往任何時(shí)候都更加強(qiáng)大

對(duì)撞會(huì)產(chǎn)生向不同方向飛去的更小粒子。移動(dòng)痕跡能告訴科學(xué)家它是什么類型的粒子

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的磁鐵組裝區(qū)。它們已經(jīng)經(jīng)過(guò)了改進(jìn)，能使粒子束更窄，從而增加對(duì)撞的次數(shù)

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的設(shè)備更加靈敏，如今將提供高分辨率的對(duì)撞可視化圖像，從而能夠更好地探測(cè)新粒子

置身于工程師們?yōu)槌h(huán)面儀器的翻新收尾而發(fā)出的叮當(dāng)砰響聲中，我發(fā)現(xiàn)自己很難想象我們需要用這么大的東西來(lái)探測(cè)比原子小很多倍的粒子。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)有四個(gè)這樣的探測(cè)器，每個(gè)探測(cè)器用于不同的實(shí)驗(yàn)。就在這些巨大探測(cè)器的正中央，在原子核中發(fā)現(xiàn)的、名為質(zhì)子的粒子順著27公里長(zhǎng)的環(huán)形隧道被加速到接近光速，隨即對(duì)撞。

對(duì)撞會(huì)產(chǎn)生向不同方向飛去的更小的粒子。它們的路徑和能量由探測(cè)器系統(tǒng)進(jìn)行追蹤，正是這道痕跡告訴科學(xué)家它是什么類型的粒子，就像從動(dòng)物的腳印確定其物種和特征一樣。

幾乎所有由對(duì)撞產(chǎn)生的較小粒子都已為科學(xué)所知。這里的物理學(xué)家們正在尋找的是新粒子的存在證據(jù)，這些新粒子可能由對(duì)撞產(chǎn)生，但被認(rèn)為極其罕見(jiàn)。

物理學(xué)家們認(rèn)為，正是這些未被發(fā)現(xiàn)的粒子，才是開(kāi)啟觀察宇宙的全新視角的關(guān)鍵。他們的發(fā)現(xiàn)將創(chuàng)造自愛(ài)因斯坦的相對(duì)論以來(lái)物理學(xué)思想的最大轉(zhuǎn)變。

過(guò)去三年里，工程師們一直在對(duì)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行升級(jí)，以便在更短的時(shí)間內(nèi)制造更多次對(duì)撞。翻新過(guò)的機(jī)器有更大的機(jī)會(huì)產(chǎn)生、找到那些極少被制造出的新粒子。這項(xiàng)工作大部分是由羅德里·瓊斯（Rhodri Jones）博士領(lǐng)導(dǎo)的，他有個(gè)好玩的頭銜，叫作“粒子束首領(lǐng)”。

我在研究中心的磁鐵組裝區(qū)見(jiàn)到了羅德里，這片區(qū)域像一座巨大的飛機(jī)庫(kù)。在這里，工程師們正在改進(jìn)15米長(zhǎng)的圓柱形磁鐵，這種磁鐵被置于加速器周圍以彎曲粒子束。這是一項(xiàng)精密的工作，絕不容許犯錯(cuò)。

羅德里告訴我，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使粒子束變窄，這樣更多的粒子就被壓縮到了更小的區(qū)域中。這大大增加了粒子相互對(duì)撞的概率。

“我們正在研究的是非常罕見(jiàn)的過(guò)程，因此對(duì)撞的次數(shù)越多，真正找到過(guò)程中具體細(xì)節(jié)、發(fā)現(xiàn)微小異常的機(jī)會(huì)就越大?！彼f(shuō)。

“粒子束的改進(jìn)意味著，自大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)投入運(yùn)行以來(lái)，對(duì)于我們?cè)谶^(guò)去十年里所做的所有物理研究，都能夠在未來(lái)三年內(nèi)得到與之相同的對(duì)撞數(shù)量?！?/p>

另一個(gè)重大改進(jìn)發(fā)生在對(duì)對(duì)撞數(shù)據(jù)的捕獲和處理方面。在經(jīng)過(guò)翻新的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中，四個(gè)探測(cè)器以每秒3 000萬(wàn)次的高速收集數(shù)據(jù)。這對(duì)于人類的大腦而言自然是難以承受的，但是任何一次對(duì)撞都可能包含著科學(xué)家們正在尋找的某種新粒子存在的關(guān)鍵證據(jù)。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的軟件已進(jìn)行了升級(jí)，可以自動(dòng)搜索所有收集到的數(shù)據(jù)，并利用最新的人工智能技術(shù)識(shí)別和保存科學(xué)家可能會(huì)感興趣的讀數(shù)，以供分析。

當(dāng)前的亞原子物理學(xué)理論被稱為標(biāo)準(zhǔn)模型。盡管這個(gè)理論的名字缺乏想象力，但它卻絕妙地解釋了亞原子粒子如何聚集在一起、創(chuàng)造出了構(gòu)成我們周圍世界的原子。標(biāo)準(zhǔn)模型還解釋了粒子如何通過(guò)自然力相互作用，例如電磁力和把原子的組成部分聚集在一起的核力。

但是，標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法解釋引力是如何運(yùn)作的，也無(wú)法解釋物理學(xué)家稱之為暗物質(zhì)和暗能量的、宇宙中不可見(jiàn)的部分是如何運(yùn)作的。科學(xué)家們從太空中星系的運(yùn)動(dòng)得知了這些不可見(jiàn)粒子和力的存在，而它們加在一起占據(jù)了宇宙的95%。但是還沒(méi)有人能夠證明它們的存在并確定它們是什么。

建造大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)正是為了探測(cè)這些粒子，它們或許可以解釋宇宙中的大部分是如何運(yùn)作的。瑪塞拉·博納博士告訴我，如今對(duì)撞機(jī)的升級(jí)使得此事真的有了可能。

“這真是一個(gè)令人興奮的時(shí)刻，”她笑得燦爛，“過(guò)去三年，我們一直在更新機(jī)器?，F(xiàn)在，我們準(zhǔn)備好了?！?/p>

從我見(jiàn)到瑪塞拉的那一刻起，她始終充滿了激情。但當(dāng)我問(wèn)她，暗物質(zhì)粒子的發(fā)現(xiàn)是否會(huì)成為物理學(xué)上最重大的發(fā)現(xiàn)之一時(shí)，她的熱情更上了一層樓。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的軟件已進(jìn)行了升級(jí)，能夠以每秒3 000萬(wàn)次的速度篩選數(shù)據(jù)

“我會(huì)說(shuō)是的，”她哈哈笑著，睜大了眼，“是的，絕對(duì)的，那會(huì)是件棒極了的事?！彼f(shuō)著，放任自己暫時(shí)沉浸在未來(lái)數(shù)個(gè)月就能實(shí)現(xiàn)此事的前景中——這頗有可能。

山姆·哈珀博士也同樣興奮，這位科學(xué)家在過(guò)去的二十年里一直在尋找自然界的“第五種力”。他在對(duì)撞機(jī)四臺(tái)粒子探測(cè)器中另一臺(tái)名為緊湊μ子線圈（CMS）的機(jī)器工作，該探測(cè)器位于歐洲核子研究中心建筑群的另一端。

在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)關(guān)停升級(jí)之前，它和全球另外幾臺(tái)粒子加速器都已找到了第五種力的誘人跡象。但有了對(duì)撞機(jī)的額外功力，山姆告訴我，他的科學(xué)求索可能很快就要看到終點(diǎn)的曙光了。

和瑪塞拉一樣，當(dāng)他大聲說(shuō)出那缺少堅(jiān)實(shí)證據(jù)就不能在科學(xué)圈子里正式說(shuō)出的話語(yǔ)時(shí)，聲音中的興奮愈發(fā)明顯。

“這將顛覆整個(gè)領(lǐng)域。它將是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)最大的發(fā)現(xiàn)，也會(huì)是粒子物理學(xué)最大的發(fā)現(xiàn)，自從……自從……”

山姆停頓了一下，努力想找到合適的詞。

“它會(huì)是比希格斯玻色子更大的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

今年晚些時(shí)候，歐洲核子研究中心將慶祝希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)十周年。但是慶?；顒?dòng)讓人們注意到這樣一個(gè)事實(shí)：自那以來(lái)，由政府出資36億英鎊建造、每年耗費(fèi)11億英鎊的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)就再也沒(méi)有什么重大發(fā)現(xiàn)了。許多人希望過(guò)——另一些人則期待過(guò)——時(shí)至今日，這最強(qiáng)大的粒子加速器理應(yīng)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了暗能量、第五種力或是其他足以轉(zhuǎn)變范式的粒子。

研究人員在接下來(lái)數(shù)年中得到的結(jié)果極為重要，因?yàn)楹芸?，歐洲核子研究中心就要提議建造一臺(tái)更大型的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。這一充滿雄心壯志的計(jì)劃被稱為未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC），它將擁有97公里的環(huán)形周長(zhǎng)，位于日內(nèi)瓦湖的地底。

這張計(jì)算機(jī)模擬圖展示了遍布宇宙的暗物質(zhì)。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的研究人員希望能夠真正地找到它

未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)預(yù)計(jì)耗費(fèi)200億英鎊。目前的機(jī)器至少還要運(yùn)行10年時(shí)間，輔以數(shù)次升級(jí)，這些升級(jí)會(huì)給它更大的力量去嘗試發(fā)現(xiàn)那些將永遠(yuǎn)改變物理學(xué)的粒子。但是歐洲核子研究中心的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)者們很快就要給出證據(jù)以爭(zhēng)取下一階段的粒子物理實(shí)驗(yàn)了。假如最新的升級(jí)措施未能在將來(lái)兩到三年內(nèi)找到任何新粒子的蛛絲馬跡，那么要說(shuō)服成員國(guó)政府承諾大幅增加資金將變得更加困難。

山姆·哈珀博士承認(rèn)，當(dāng)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)開(kāi)始下一組實(shí)驗(yàn)時(shí)，他感到“有點(diǎn)害怕”。

“我們正在拼命地試圖把事情都安排妥當(dāng)，非常努力地確保我們不會(huì)錯(cuò)過(guò)任何可能的新的物理成分。因?yàn)槭澜缟献钤愀獾氖虑榫褪牵碌奈锢沓煞值拇_存在，但我們卻沒(méi)找到它。”

然而，有一種情緒壓倒了山姆的恐懼：那是對(duì)未來(lái)幾年可能發(fā)生之事的強(qiáng)烈興奮。

“驅(qū)使所有粒子物理學(xué)家的動(dòng)力在于我們想要發(fā)現(xiàn)未知，這就是為什么諸如第五種力和暗物質(zhì)這樣的事物如此令人興奮，因?yàn)槲覀儾恢浪鼈兪鞘裁?、不知道它們是否存在，而我們真的想要找出答案?！?/p>

今年早些時(shí)候，費(fèi)米國(guó)立加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型中的第一道缺口（該實(shí)驗(yàn)室有著美國(guó)版的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）。在接下來(lái)的數(shù)月和數(shù)年里，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的研究人員將會(huì)尋求證據(jù)以證實(shí)他們的結(jié)果，并在現(xiàn)有理論中發(fā)現(xiàn)更多漏洞，直到它崩潰，并為一套新的、統(tǒng)一的、更完整的宇宙運(yùn)行理論讓路。

資料來(lái)源 BBC