在大型强子对撞机中心地下一百米处:我被带着参观一个“宏伟的科学大教堂”

在阿尔卑斯山的地下深处，科学家们几乎无法抑制他们的兴奋。
他们窃窃私语着那些将从根本上改变我们对宇宙的认识的发现。

“自从我成为粒子物理学家以来，我就一直在寻找第五种力量，”萨姆·哈珀博士说。“也许就是今年”。

在过去的20年里，山姆一直试图找到第五种自然力的证据，重力、电磁力和两种核力是物理学家已知的四种。

他把希望寄托在大型强子对撞机的重大改造上。这是世界上最先进的粒子加速器——一台巨大的机器，它将原子撞在一起，将它们分开，并发现它们内部的东西。

在为期三年的升级中，它的功能进一步增强。它的仪器更加灵敏，使研究人员能够以更高的清晰度研究原子内部粒子的碰撞;它的软件得到了增强，能够以每秒3000万次的速度读取数据;而且它的光束更窄，这大大增加了碰撞的次数。

这一切意味着，现在是大型强子对撞机发现科学上全新亚原子粒子的最佳时机。人们希望它能做出一些发现，从而引发一百年来物理学上最大的革命。

除了相信他们可能会发现一种新的自然第五力之外，研究人员还希望找到一种无形物质的证据，这种物质构成了宇宙的大部分，被称为暗物质。

这里的研究人员面临着交付的压力。许多人曾期望大型强子对撞机现在已经发现了物理学新领域的证据。


Atlas 探测器由 7,000 吨金属、硅、电子设备和电线组成，错综复杂且精确地组合在一起。它现在比以往任何时候都更强大

大型强子对撞机是欧洲核研究组织(Cern)的一部分，该组织位于瑞士和法国的边界，就在日内瓦外。当你走近时，你会发现它似乎是一个不起眼的综合体——由20世纪50年代的办公楼和宿舍组成的街区，占地2.5平方英里，草坪修剪整齐，道路弯弯曲曲，以尊敬的物理学家命名。

但在地下100米处，却是一座科学大教堂。我进入了大型强子对撞机的中心，进入了一个巨大的探测器，它创造了我们这一代最大的发现之一，希格斯玻色子，一种亚原子粒子，没有它，我们所知道的许多其他粒子就没有质量。阿特拉斯探测器长46米，高25米。它是大型强子对撞机用于分析由大型强子对撞机产生的粒子的四种仪器之一。

它是7000吨的金属、硅、电子和电线，复杂而精确地组合在一起。这是一件非常美丽的事情。“陛下”是伦敦玛丽女王大学的Marcella Bona博士使用的词，她是使用阿特拉斯探测器进行实验的科学家之一。

当玛赛拉告诉我大型强子对撞机关闭三年期间对探测器的改进时，我对这一景象感到敬畏。

她告诉我:“就我们的实验检测、收集和分析数据的能力而言，它将提高两到三倍。”“整个实验链已经升级。”



在工程师们完成阿特拉斯的翻新工作的铿锵声中，我发现很难想象需要这么大的东西来探测比原子小很多倍的粒子。

大型强子对撞机有四个这样的探测器，每一个都在做不同的实验。在这些巨大的探测器的中心，被称为质子的粒子被发现在原子的核心，被加速到接近光速在17英里的圆周上碰撞在一起。

碰撞产生了更小的粒子，它们向不同的方向飞去。它们的路径和能量由探测系统跟踪，正是这些轨迹告诉科学家它是什么粒子，就像根据动物的脚印确定动物的种类和特征一样。


碰撞产生向不同方向飞走的粒子。这条踪迹告诉科学家它是什么类型的粒子。

几乎所有由碰撞产生的小粒子都已经为科学所知。这里的物理学家所追求的是新粒子的证据，这些粒子可能是由碰撞产生的，但被认为是极其罕见的。

物理学家认为，正是这些未被发现的粒子掌握着开启宇宙全新视角的钥匙。他们的发现将带来自爱因斯坦相对论以来物理学思想的最大转变。

工程师们花了三年的时间来升级LHC，以在更短的时间内产生更多的碰撞。翻新的机器有更大的机会创造和发现很少创造的新粒子。这些工作大部分是由罗德里•琼斯博士领导的，他很高兴自己的头衔是“梁之头”。

我在欧洲粒子物理研究所的磁铁组装区见到了罗德里，那里就像一个巨大的飞机机库。在这里，工程师们正在改造15米长的圆柱形磁铁，使粒子束在加速器周围弯曲。这是一件绝对不容出错的精密工作。


大型强子对撞机的磁铁组装区。它们已经过改造，使光束更窄，从而增加了碰撞次数

罗德里告诉我，他的团队已经使光束变窄，这样更多的粒子就被挤进了更小的区域。这大大增加了粒子相互碰撞的机会。

他说:“我们观察的是非常罕见的过程，所以碰撞的次数越多，就越有可能真正发现发生了什么，并看到微小的异常。”

“束流的改进意味着，对于自大型强子对撞机开始运行以来我们所做的所有物理研究，我们将能够在未来三年获得与过去十年相同的碰撞次数。”



另一项重大改进是在捕获和处理碰撞数据方面。在翻新的大型强子对撞机中，四个探测器中的每一个都以每秒3000万次的起泡速度收集数据。当然，这对人类来说是难以理解的，但任何一次碰撞都可能包含科学家们正在寻找的新粒子存在的关键证据。

大型强子对撞机的软件已经升级，可以自动搜索所有收集到的数据，并使用最新的人工智能技术，识别并保存可能有潜在兴趣供科学家分析的读数。


大型强子对撞机的仪器更加灵敏，现在将提供碰撞的高清可视化，因此能够更好地检测新粒子。

目前的亚原子物理学理论被称为标准模型。尽管这个理论的名字缺乏想象力，但它在解释亚原子粒子如何聚集在一起，创造出构成我们周围世界的原子方面做得非常出色。标准模型还解释了粒子如何通过自然力相互作用，如电磁力和核力将原子的各组成部分结合在一起。

但是标准模型不能解释引力是如何运作的，也不能解释宇宙中不可见的部分——物理学家称之为暗物质和暗能量——是如何运作的。科学家们知道，这些看不见的粒子和力存在于太空中星系的运动中——它们加在一起占了宇宙的95%。但还没有人能够证明它们的存在并确定它们是什么。


大型强子对撞机的软件已经升级，使其能够以每秒 3000 万次的速度筛选数据。

大型强子对撞机就是为了探测这些粒子而建立的，这些粒子或许可以解释宇宙的巨大部分是如何运作的。Marcella Bona博士告诉我，现在有希望通过升级来实现这一目标。

“这真是一个激动人心的时刻，”她笑着说。“过去三年，我们一直在更新机器。现在我们准备好了。”

从我见到玛赛拉的那一刻起，她就充满了激情。但当我问她暗物质粒子的发现是否会成为物理学上最大的发现之一时，她的热情又上升了一个层次。

“我会说，是的，”她笑着，眼睛睁得大大的，“是的，绝对，那将是不可思议的，”她说，让自己暂时陶醉在未来几个月发生的非常真实的前景中。


该计算机模拟显示了遍布宇宙的暗物质。大型强子对撞机研究人员希望找到真实的

同样兴奋的还有山姆·哈珀博士，这位科学家在过去的二十年里一直在寻找自然界的“第五种力量”。他在大型强子对撞机的另一个探测器CMS工作，CMS位于欧洲核子研究中心的另一端。

在大型强子对撞机关闭进行改造之前，以及世界上其他几个粒子加速器的研究结果已经发现了第五种力的诱人迹象。但有了大型强子对撞机的额外力量，萨姆告诉我他的科学探索可能很快就结束了。

就像玛赛拉一样，当他大声说出科学界在没有确凿证据之前无法正式说出的话时，他声音中充满了兴奋。

“这将颠覆这个领域。这将是大型强子对撞机的最大发现，粒子物理学的最大发现，自从……

萨姆停顿了一下，努力寻找合适的词语。

“它将比希格斯粒子还要大”。



欧洲粒子物理研究所将于今年晚些时候庆祝发现希格斯玻色子十周年。但这一庆祝活动让人们注意到这样一个事实:这个由政府出资36亿英镑、每年耗资11亿英镑的大型强子对撞机，从那以后就再也没有什么重大发现了。许多人希望，一些人期待，最强大的粒子加速器已经发现了暗能量，第五种力量或其他范式转变粒子。

研究人员在未来几年的研究结果有很大的影响，因为欧洲核子研究委员会很快将提出更大的强子对撞机的建议。最雄心勃勃的计划被称为“未来环形对撞机”(FCC)，它将在日内瓦湖下形成一个周长60英里的环。

联邦通信委员会可能会花费约200亿英镑。目前的机器至少还有10年的时间，还有几次升级，将给它更多的动力，以尝试发现将永远改变物理学的粒子。但欧洲粒子物理研究所的科学领袖们很快就会展示他们下一阶段粒子物理实验的案例。如果最新的升级在未来两到三年内无法发现哪怕是一丝新粒子的迹象，说服成员国政府承诺大幅增加资金将会更加困难。


Cern 提出的未来圆形对撞机将比大型强子对撞机大很多倍，而且成本更高。

山姆·哈珀博士承认，当大型强子对撞机开始下一组实验时，他感到“有点害怕”。

“我们正竭尽全力地将一切整合起来，我们正在非常努力地工作，以确保我们不会错过任何可能的新物理。因为世界上最糟糕的事情将是，新的物理学已经存在，而我们却找不到它。”

但战胜山姆恐惧的是对未来几年的强烈兴奋。

“驱动所有粒子物理学家是我们想发现未知的,这就是为什么第五力量和暗物质是如此令人兴奋,因为我们不知道它可能或如果它存在,我们真的想要发现这一点。”

本月早些时候，美国费米实验室(相当于大型强子对撞机)的研究人员发现了标准模型的第一个裂缝。在接下来的几个月和几年里，LHC的研究人员将试图确认他们的结果，并发现现有理论中的更多裂缝，直到它崩溃，为一个新的、统一的、更完整的宇宙运行理论让路。

作者：帕拉布，科学记者