【LHC的奇迹】第一集：萌芽

作者: wave酱

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今天的故事将带您走进目前世界上最大的科学装置——大型强子对撞机（LHC）。为了开启这段旅程，我们从一部广受欢迎的作品《命运石之门》说起。 在《命运石之门》的故事中，存在一个名为“sern”的反派组织。这个虚构的组织建造了一台被称为“大型强子对撞机”的装置，企图利用黑洞制造时间机器，并伪装成一个粒子物理研究设施。实际上，这部作品中的“sern”正是以现实中的欧洲核子研究中心（CERN）为原型。 然而，在现实中，CERN与邪恶组织完全无关。它是全球粒子物理研究的中心之一，是科学家们探索宇宙基本构成的圣地。至于作品中提到的大型强子对撞机（LHC），它的确存在，并且是目前世界上最强大的粒子加速器。然而，它的建造目标并非制造黑洞或时间机器，而是为了揭开宇宙最深处的奥秘，其中一项重要的任务便是寻找希格斯粒子。 希格斯粒子的发现被认为是理解质量来源的关键，而LHC正是为了实现这一科学梦想而设计建造的。它并非科幻的产物，而是人类智慧与科技的巅峰之作。

在粒子物理学的世界中，希格斯粒子占据了一个核心位置。它是粒子物理标准模型中的关键部分，堪称揭示质量起源的钥匙。 粒子物理学的终极目标，是探索构成世间万物的基本组成部分，以及它们之间的相互作用规律。那么，从我们熟悉的物质开始，它们究竟是由什么构成的呢？ 物质的基本单位是原子。原子由核外电子和原子核组成，而原子核内部又包含着质子和中子。深入研究后发现，质子和中子并不是最基本的粒子，它们实际上是由更小的粒子——上夸克和下夸克——通过强相互作用结合在一起形成的。

除了电子、上夸克和下夸克，物理学家们还在微观世界中发现了更多奇妙的基本粒子。 在标准模型的框架下，还有四种额外的夸克——奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克；它们进一步丰富了我们对物质构成的理解。此外，还有四种传递相互作用的规范玻色子：光子的存在让电磁力得以作用，W和Z玻色子揭示了弱相互作用的奥秘，而胶子则负责将夸克紧密结合在一起，形成质子和中子。 轻子家族中，除了电子，还有两种与电子性质相似但质量不同的粒子：缪子和τ子，以及它们对应的三种中微子。这些中微子极其轻微，几乎不与其他物质发生作用，仿佛是宇宙中最隐秘的访客。 这些粒子，与最后一个被发现的希格斯粒子一道，共同构成了粒子物理的标准模型。希格斯粒子的重要性无与伦比，它不仅是这张粒子拼图的最后一块，也是标准模型的核心支柱之一。它的发现解开了一个关键谜题——质量从何而来。 希格斯粒子通过与其他粒子的相互作用，使它们获得质量。可以说，它为标准模型中所有有质量的粒子提供了质量的来源，是这个理论体系中的“圣杯”。

2012年，这一年已经被载入科学史册。在位于瑞士日内瓦的大型强子对撞机（LHC）上，ATLAS和CMS实验团队共同宣布，他们发现了希格斯粒子的存在。这一突破性的发现为长达数十年的科学探索画上了一个圆满的句号。 次年，也就是2013年，提出希格斯机制的两位科学家——彼得·希格斯（Peter Higgs）和弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）因这项理论荣获诺贝尔物理学奖。这一理论的诞生过程同样是科学史上充满激烈竞争与合作的精彩一页。 实际上，希格斯机制是三组科学家几乎同时独立提出的成果。首先是恩格勒和他的合作者罗伯特·布劳特（Robert Brout）；其次是古拉尼（Gerald Guralnik）、哈庚（Carl Hagen）和基博尔（Tom Kibble）的小组；最后是彼得·希格斯本人。这三组科学家几乎在同一时期，分别提出了粒子如何通过与希格斯场的相互作用获得质量的理论。 尽管诺贝尔物理学奖最终颁发给了恩格勒和希格斯，但这并不代表其他科学家的贡献被遗忘。由于诺贝尔奖规定最多只能授予三人，古拉尼小组的成员未能获奖令人遗憾。而布劳特先生更因于2011年去世，未能见证希格斯粒子发现的辉煌时刻，同样让人感慨万分。

不仅理论层面意义非凡，实验层面的努力也至关重要。要在高能物理实验中确认希格斯粒子的存在，科学家们面临着巨大的技术挑战。从设计、建造到操作LHC，以及处理海量的实验数据，这些工作的重要性和复杂程度绝不亚于希格斯机制的理论提出。ATLAS和CMS团队为此付出了多年的努力，最终让这一粒子浮出水面。 2012年的发现不仅验证了标准模型的预言，也向世界证明了科学探索的力量。在这背后，是数以千计的科学家、工程师和技术人员的共同努力。他们的成就，堪称人类智慧与合作精神的巅峰。 大型强子对撞机（LHC）位于法国和瑞士的边界地区，这里风景如画，科学与自然在此交融。靠近我们这边是法国，而远处矗立的则是阿尔卑斯山的雪峰，旁边是碧波荡漾的日内瓦湖，宛如一幅优美的山水画。 LHC的隧道全长27公里，它是目前世界上最大的粒子加速器。如果我们将这个庞然大物搬到北京，它的长度大约与北京二环路的周长相当——这样具体的比较或许可以帮助我们更直观地感受它的规模。 在这张区域地图上，我们还可以找到另一个高能物理学的重要地标——中国科学院高能物理研究所。这里坐落着一项代表中国高能物理成就的伟大装置——北京正负电子对撞机（BEPC）。 与LHC那巨大的27公里长隧道相比，BEPC的加速器环显得微不足道，仅仅是地图上的一个小圆点。然而，正是在这个看似“微小”的装置中，中国科学家在τ-粲物理研究领域取得了卓越成就。作为一个自主设计和建造的粒子对撞机，它见证了中国高能物理学从无到有的历程。然而，BEPC与LHC的对比，也让我们清晰地看到中国与世界高能物理前沿之间的差距。LHC的规模与技术水平，是全球科学家们数十年协作的成果。我们也希望，有一天，在自己的家园里，能建造出像LHC这样规模宏大、水平一流的科学装置。

我们需要再介绍一下故事的主角之一：欧洲核子研究中心（CERN）。CERN的名字来源于法语 Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire，意思是“欧洲核研究理事会”。虽然名称中提到了“核”，但CERN的研究领域早已超越核物理，聚焦于粒子物理学，是全球高能物理学的先锋。 它位于瑞士和法国的边境地带，其设施分布在两国之间。一部分在瑞士境内，一部分在法国境内，受日内瓦政府管理。这一国际组织成立于1954年，目前有23个成员国，涵盖了欧洲主要国家，并吸引了全球众多科学家的参与。 CERN的理事会（CERN Council）是其最高权力机构，可以说是CERN的大脑。它的功能有些类似于公司的董事会，对CERN的所有重大事务拥有决策权，包括科学研究方向、管理政策和经费使用。 CERN理事会由每个成员国的两位代表组成，一位是该国政府代表，另一位是科学领域的专家。这种组合确保了决策既具有科学的前瞻性，又能体现成员国的共同利益。在我们的故事中，这个理事会扮演着非常重要的角色。 为了协助理事会更高效地运作，CERN还设有两个关键的辅助部门： 科学政策委员会（Scientific Policy Committee）：负责对CERN的科学事务提出战略建议，为实验方向和研究优先级提供参考。 经费委员会（Finance Committee）：专注于财务管理，确保CERN的资金使用透明高效，支持其科学目标。 CERN的日常运行由CERN主任（Director-General）负责。这位负责人由理事会任命，统筹管理CERN的大小事务，包括科学项目的推进、人员的协调和设施的维护等。

今天，让我们乘上时光机，回到大型强子对撞机（LHC）尚未建成的时代，一起追溯它的修建历程。

我们首先回到20世纪70年代 那时，世界各地已经运行着大大小小的对撞机，每一个都是科学探索的重要工具。 在高能物理的领域，电子伏特（eV）是一个常用的能量单位。为了更好地理解我们谈论的对撞机能量水平，让我们通过一些日常现象和实际应用，来感受不同能量尺度的差异。 在室温下，空气中的分子以极低的能量运动。它们的典型能量大约只有0.03 eV， 在地球的高纬度地区，极光为我们展示了一个更高能量的自然现象。极光中的电子被地磁场加速，其能量可以达到1,000 eV到15,000 eV，这些高速电子撞击高层大气中的原子和分子，激发出绚丽的光芒。 在医疗诊断中，我们常见的X射线也属于高能现象。X射线的光子能量通常在30,000 eV到150,000 eV之间。它们穿透人体组织，形成影像，为医生提供诊断依据。 然而，与高能对撞机中的能量相比，这些值依然微不足道。 20世纪70到80年代，德国DESY实验室运行着40 GeV（也就是4百亿电子伏特能量）正负电子对撞机，美国斯坦福加速器实验室运行着6 GeV对撞机，康奈尔大学运行着12 GeV正负电子对撞机，以及费米实验室运行着500 GeV强子对撞机。在CERN，运行着一台400 GeV的强子对撞机。这些装置为标准模型的验证和探索提供了基础数据。

与此同时，20世纪70年代，粒子物理学进入了一个令人兴奋的时期。随着实验技术的进步，标准模型的“拼图”正在迅速补全： 粲夸克：在1974年“J/Psi粒子”的发现中被证实，这是夸克模型的一个里程碑事件。 底夸克：在1977年通过费米实验室的实验被发现，为探索顶夸克和更重粒子提供了重要线索。 胶子：在1978年在三喷注事例中被观测到，直接证实了量子色动力学（QCD）中描述强相互作用的基本粒子存在。 tau轻子：也在1976年SLAC实验中被首次探测到。

与此同时，理论也在快速发展。量子色动力学（QCD）作为描述强相互作用的理论，得到了广泛认可。另一方面，1973年通过对弱中性流的发现，科学家们间接验证了Z玻色子的存在。这些发现共同推动了标准模型的建立，尽管此时模型还未完全成型，但已经给了物理学家们极大的信心：标准模型或许是描述自然界基本规律的正确理论。

时间来到20世纪80年代。 1981年，CERN理事会批准了建造大型正负电子对撞机（LEP）的计划，标志着高能物理进入了一个全新的时代。1983年，LEP的工程正式启动，其隧道全长27公里，贯穿瑞士和法国的边境地区。这条隧道的规模令人震撼，也正是后来大型强子对撞机（LHC）所沿用的基础。 LEP的建造是当时技术与科学挑战的巅峰。有科学家甚至认为，这或许是CERN能够承载的最后一台对撞机。然而，LEP不仅成功建成，还成为了20世纪粒子物理研究的里程碑。 与此同时，美国费米实验室也在推进另一项宏大的工程：质子-反质子对撞机Tevatron的建造。Tevatron由两个6公里长的加速环组成，其对撞能量达到1000 GeV（1 TeV），在当时是全球能量最高的强子对撞机。美国与欧洲，两大洲的顶尖物理学装置，都成为了标准模型研究不可或缺的工具。 这两台对撞机在之后的运行中都取得了巨大的成功，为粒子物理的历史增添了辉煌的一页。 LEP的正负电子对撞以高能量、高分辨率的特点，成为验证标准模型的“显微镜”。它对Z玻色子和W玻色子的性质进行了极为精确的测量，验证了标准模型的预言，为粒子物理学建立了坚实的基础。LEP的数据也间接为希格斯粒子的质量范围提供了重要线索，成为后续研究的指导。 Tevatron则在高能强子对撞中展现了威力。它在1995年发现了顶夸克（Top Quark），填补了标准模型中的最后一块夸克拼图。此外，Tevatron的实验数据也为研究强相互作用以及探索希格斯粒子的性质提供了宝贵的信息。 随着粒子物理实验的不断推进，W和Z玻色子、顶夸克和τ中微子的相继发现，粒子物理标准模型的结构变得愈加清晰。这些重大发现不仅验证了标准模型的核心理论，也让科学家们意识到，距离完整的图景只剩下最后一块拼图——Higgs粒子。

当LEP在1983年开始建造，Tevatron也在1980年代初期加紧建设以前，科学家们清楚地意识到，这些装置虽然将揭示标准模型的诸多奥秘，但它们的能力是有限的。它们可以验证理论框架、发现新粒子，但要揭示更深层的自然规律，比如直接探测Higgs粒子或寻找超出标准模型的物理现象，还需要更高能量、更强性能的下一代对撞机。 这时摆在CERN物理学家面前的有三种选择：

1. 一个更大的正负电子对撞机；
2. 一个质子-反质子对撞机；
3. 一个质子-质子对撞机。

在传统观点中，电子对撞被认为更适合研究基本相互作用。因为电子是点粒子，其对撞的产物更直接反映物理规律，而强子对撞中的质子内部包含复杂的结构和相互作用，产物难以解析。 但随着渐近自由理论的发展，物理学家认识到，在极高能量下，质子对撞的主要相互作用来自其内部的胶子，而胶子是基本粒子，这使得质子对撞也可以直接揭示基本相互作用的信息。同时，强子对撞机的有效能量远超电子对撞机，原因在于电子加速到高能时会产生大量辐射，而强子对撞中实际参与相互作用的胶子能够携带质子的高能量。因此，建造高能量的电子对撞机需要极其庞大的加速环和天文数字般的经费，而在当时，这是不可行的。 此外，在高能量下，质子-质子对撞的胶子相互作用占主导，与质子-反质子对撞的结果几乎无差别，而制造质子远比制造反质子简单得多。因此，物理学家们最终决定，建造质子-质子对撞的大型强子对撞机（LHC），是最合理的选择。

LHC的设想刚一提出，便成为科学界的焦点。然而，这一宏伟计划也引发了激烈的争议。从经费到科学意义，从技术挑战到社会舆论，LHC的前路充满坎坷。 那么，究竟是谁在反对大型强子对撞机？它的命运将走向何方？敬请期待下一集！