LHC，遭遇危機

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大型強子對撞機設備（LHC）是一臺埋設在法國-瑞士邊境地下的環形裝置，這個加速器重達5萬噸，埋設深度約100米，有27千米長，耗資約80億美元。有來自50多個國家的超過6 000名物理學家在那里工作，其中包括100多名中國研究人員。

“LHC又發現了新粒子”“LHC發現粒子名單出爐”……世界各大媒體都對它懷著巨大的期待。2007年5月，《紐約時報》以《向物理學最重大疑問大步挺進》為題對LHC做詳細介紹，文中不乏這樣的詞匯：“他們已然準備就緒，重現宇宙誕生的景象。一次，再次，又一次……事實上，每秒3千萬次，讓宇宙一次又一次地誕生著。”但是，近年來LHC頻頻遭遇信任危機。

轉折，一個消失不見的信號

2015年12月16日，LHC所屬的兩大探測器超環面儀器（ATLAS）和緊湊u子線圈（CMS）團隊都發現了一對超高能光子，它們共帶有高達750GeV（能量單位，表示十億電子伏特。電子伏特代表1個電子在經過1個伏特的電場加速后所獲得的動能）的能量。要知道現在已知最重的基本粒子頂夸克的能量也只不過173GeV而已。如此強大，且同時在兩個獨立探測器上顯現的信號，以前從未出現過。于是科學家群情激昂。為了探討這一可能變革帶來的各種后果，幾個月間，他們發表了 500多篇論文。

然而，在2016年采集的數據中，這個信號卻消失了……怎么可能？是計算出了問題還是分析出了問題？哪根線搭錯了？都不是。物理學家認為，只怪他們的運氣太糟。要知道，ATLAS團隊的出錯概率只有不到兩萬分之一，CMS團隊則只有不到三千分之一。

2016年8月5日，在美國芝加哥召開的第38屆國際高能物理研討會上，LHC團隊共同宣布，所謂的發現新粒子只是一個幻象。“這是場噩夢”“這是一記重拳”“真是頭痛”，那天，希望最終變成了失望，大部分物理學家的反應都充滿困惑和失望。這些理論家曾相信，鑒于它的強大功率，LHC應能為某種超越標準模型的假說提供證據。40年來，科學家提出了多種此類假說：超對稱、額外維度、第五種基本力……的確，標準模型的弊病眾所周知：它無法解釋85%的宇宙物質，無法解釋宇宙中不存在反物質，也無法解決中微子的質量問題。所有這些謎團本應在巨大的圓環中找到答案：比如一些未知粒子。因此在過去的幾個月間，專家們非常渴望一種新粒子能夠成為其中的第一個。那么現在呢？如果LHC果真一無所獲，就不得不否定科學家幾十年來為突破標準模型所做的理論工作！

能量，到達設計極限

然而，LHC目前已經達到其設計能量極限，要進一步尋找新粒子，需建設能量和精度更高的機器。這或許是30年前該項目設計之初，唯一一件沒人預料到的事情。

我們知道，大部分物質由分子、原子構成（還有部分等離子物質），原子由質子、中子組成的原子核和繞核旋轉的電子構成。而質子和中子都由夸克和膠子組成，之后就沒有發現更深層次的結構了，因此夸克、膠子和電子被稱為基本粒子。在物理學標準模型的62種基本粒子中，其他61種都已被實驗證實了存在，只有希格斯玻色子仍然懸而未決，它的難以捉摸也讓研究者多了幾分敬畏。如果它們就存在于我們身邊的話，為什么這么多年都捕獲不到它們的蹤跡？實際上，每1012次的質子對撞，才可能產生一次希格斯玻色子。更麻煩的是，這種粒子一旦產生，十億分之一秒后就會衰變成光子和強子等其他粒子。由于它難以尋覓又極為重要，因此也被稱為“上帝粒子”。2012年，科學家宣布利用LHC發現了被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子，完成了粒子物理所謂的“標準模型”。

實際上，除了長期主導但并不完整的粒子物理“標準模型”中已有的成員，這臺機器的對撞至今沒有“召喚”出任何全新粒子。在對撞殘骸中，物理學家沒有找到能夠組成暗物質的粒子，沒有希格斯玻色子的兄弟姐妹，沒有額外維度存在的跡象，沒有輕子夸克——最重要的是，也沒有人們苦苦尋找的超對稱粒子。讓科學界考慮30年，卻沒有驗證一項正確的預測讓人們能看到，這不免讓科學家大失所望。

噩夢？一無所獲

粒子可能隱藏在各種邊緣角落。比方說，如果標量頂夸克和最輕的超中微子（超對稱理論中的暗物質候選者）恰巧具有幾乎相同的質量，它們可能至今還隱藏著。這是因為當撞擊產生一個標量頂夸克并衰變出一個超中微子時，只有很少的能量會以運動的形式釋放。肯定還會有其他發現？但是越來越多的專家卻預感，LHC這個龐然大物可能終將一事無成。這確實不是一個好消息。我們必須正視這種可能性，因為可能性正在大幅增加。所謂只是驗證了標準模型而已的說法越來越可信了。

新物理的缺失加深了自2012年就產生的危機，當時LHC第一次運行，證實了8TeV（能量單位，表示兆億電子伏特）撞擊將不會產生任何超越標準模型的新物理（那一年發現的希格斯玻色子是標準模型的最后一塊拼圖，而非它的擴展）。仍舊可能有一個救星粒子在前年晚些時候或去年出現，或許，當數據經過長時間的積累，會在已知粒子身上發現細微的驚喜，間接提供新物理的線索。但理論學家們已經逐漸開始準備接受“噩夢場景”了，那就是LHC根本無法把我們引向一個更加完整的自然理論。

信任，遭遇危機

盡管我們仍然認為科學發現可以由一位天才在自家地下室的實驗室里獨力完成，但事實上，為了能把質子加速到光速的99.9999991%，讓其運動質量達到靜止質量的7 000倍。整個LHC對撞系統裝備有9 300塊磁鐵，并被冷卻至-271.25℃。驅動這些探測器所需的電力供應是驚人的，幾乎相當于北京市所有家庭用電的總和。LHC耗資大約80億美元，其后每年所需的經費約為2.86億美元。事實上每年僅電費消耗就達2 350萬美元。要維持大型強子對撞機設備的正常運轉，每年的預算開支至少達10億美元。

沒有成果，如果LHC在未來20年內能做到的只不過是驗證標準模型，研究人員又如何說服決策者和其他領域的同事繼續這項工作呢？拿什么理由來提出建造下一代對撞機的計劃，或者更直接，要如何吸引青年才俊繼續投身這一研究領域？

它曾有機會掀起一場革命。現在，似乎一切討論都結束了，LHC的葬禮或許又開啟了一個新紀元。如果標準模型是完美無缺的，那么剩余給后代的理論物理學家的事業，真的稀少而枯燥了。不過人類這種企圖以一種理論的建構而一勞永逸的夢想有過多次，但是都最終驚醒。標準模型如果存在無法彌補的漏洞，那么對于年輕的物理學家們，并不是一件壞事，反而可以說是理論物理學春天到來了。