大型強子對撞機是粒子物理科學(xué)家為了探索新的粒子，和微觀量化粒子的‘新物理’機制設(shè)備，是一種將質(zhì)子加速對撞的高能物理設(shè)備。
你手里的零食是由什么做的？都有哪些配料！這個飲料的成分的是啥？生活中我們很喜歡問這樣的問題，就跟問，一個東西是怎么來的一樣頻繁。但科學(xué)家想問：宇宙是有什么構(gòu)成的？它的成分是啥？這樣的問題也合情合理，但想回答這個問題，難度頗高。我們需要借助一臺人類史上最強大的機器，大型強子對撞機。今天就聊下這臺機器是怎樣研究宇宙的基本成分的？以及它目前在尋找什么？
當我們涉及到揭示宇宙本身是由什么構(gòu)成的時候，在基本的層面上，我們一貫的思想都是認為：解決這個問題的方法就是直接了當、簡單粗暴的把物質(zhì)分解成越來越小的碎片。其實事實也基本上就是這樣的，當我們分解物質(zhì)時，其內(nèi)部有非常小的組成部分：首先物質(zhì)由分子構(gòu)成，而分子又是由原子構(gòu)成，原子可以分解成原子核和電子，然后夸克和膠子組成原子核。
你會發(fā)現(xiàn)標準模型中，甚至宇宙中還有其他的基本粒子根本不存在于構(gòu)成我們的物質(zhì)中。但值得慶幸的是，我們可以通過了一種方法，利用愛因斯坦的E = mc^2，制造出宇宙中任何可能存在的基本粒子。只要在時空的一個區(qū)域聚集足夠的能量，就可以制造宇宙所允許的任何物質(zhì)。言外之意，就是只要能量夠勁，就算是宇宙誕生初期創(chuàng)造出的一些奇異粒子，我們也可以創(chuàng)造出來。
這正是粒子加速器和大型強子對撞機（LHC）近一個世紀以來一直在做的事情。2013年大型強子對撞機在發(fā)現(xiàn)'上帝粒子'以后，停機維護升級，兩年后又重啟在更高的能量段繼續(xù)運行，希望解決超對稱粒子的問題，2019年又停機升級，預(yù)計會在2021年重啟，這樣來回折騰只有一個目的就是撞出更高的能量。把我們對宇宙中可能發(fā)生的事情的理解提升到前所未有的高度。粒子對撞機研究宇宙基本成分，只需五個簡單的步驟。
一切都與能量有關(guān)。
著名的E = mc^2方程中的E，就是它的意義所在。可用的能量越多，產(chǎn)生的粒子質(zhì)量就越大。（因為光速c是一個常數(shù)，所以E越大意味著m越大。）因此我們的目標不是將單個粒子分裂成更小的實體，而是創(chuàng)造一個包含盡可能多的能量事件或單一的相互作用點。
在理論上其實很簡單，我們可以（或?qū)⒁┲圃焓裁礃拥牧Ｗ樱皇苁芟抻谖覀儎?chuàng)造它們的能量。所以我們一直在努力，在一個單一的相互作用點上達到最高的能量；這就是我們的目標。LHC是怎么做到的？
把兩個大質(zhì)量的基本粒子加速到最高的能量。
這意味著我們需要使用基本粒子來獲得高能量：要么是電子，要么是質(zhì)子內(nèi)部的夸克和膠子。當我們討論一個具有一定能量的“事件”的時候，說的是兩個基本粒子相互作用產(chǎn)生新粒子的能量。
在大型強子對撞機內(nèi)部，獲得能量的方法是加速兩個帶電粒子（兩個質(zhì)子）讓其盡可能接近光速。順時針和逆時針各發(fā)射一個，然后讓它們相互碰撞，得到最大的能量。如果我們想讓一個帶電粒子接近光速，只需要考慮三件事：
- 粒子穿過的加速環(huán)有多大？（越大越好）
- 加速和彎曲帶電粒子的磁場有多強？（越強越好)
- 最后一點很重要，帶電子粒子在磁場中環(huán)形加速會發(fā)出電磁輻射，并損失能量。因此我們需要考慮，粒子在磁場中損失能量的速度超過粒子所能加速的速度之前，粒子能以多快的速度運動？（這跟粒子的質(zhì)量，環(huán)的磁場和粒子橫截面有關(guān)。）
大型強子對撞機使用的加速環(huán)是迄今為止最大的，周長約27公里，它也擁有迄今為止最強的電磁體。盡管質(zhì)子是符合粒子，這意味著能量會在三個夸克和不確定數(shù)量的膠子（和“海夸克”）之間的分裂，但更大的質(zhì)量意味著它們能比電子（只有質(zhì)子質(zhì)量的1/1836）在發(fā)出極限輻射之前達到更高的能量。簡單的說，就是質(zhì)子相對于電子不易發(fā)出電磁輻射，所能獲得的能量更高。
在LHC之前的大型正負電子對撞機LEP中，它的能量達到了114 GeV， GeV是十億電子伏特（10^9 eV）。費米實驗室（之前的能量記錄保持者）在2tev（萬億電子伏，或10^12 eV）的能量下進行了質(zhì)子/反質(zhì)子碰撞，而LHC在第一次運行中就達到了7tev的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞，后來又在13tev條件下打破了能量記錄。
但能量并不能讓我們得到一切！
我們還必須探測到碰撞所產(chǎn)生的一切可能的粒子，才能準確地重現(xiàn)所創(chuàng)造的東西。
對撞機中互相對射的大多數(shù)粒子都不會命中，因為質(zhì)子非常小，直徑只有10^-15米。但是當它們真的撞在一起時，其產(chǎn)生的效果非常混亂！
夸克無處不在，導(dǎo)致高能粒子噴射，新粒子同時在一片混亂中被創(chuàng)造了出來，但是幾乎所有創(chuàng)造的“新奇”的粒子都會在極小極小的瞬間發(fā)生衰變。
因此，我們沒有別的辦法，只能快速的檢測所有產(chǎn)生的東西，包括它們的電荷、能量、動量、質(zhì)量等等的性質(zhì)，然后試著重建在碰撞點所創(chuàng)造的物質(zhì)。
在技術(shù)上來說，這是一項不可思議的任務(wù)，我們需要把十來輛大巴車大小的探測器鏈接在一起，為的就是把質(zhì)子大小的物質(zhì)碎片拼湊起來！對于獲取數(shù)據(jù)來說，這也是一項非常艱巨的任務(wù)，因為在對撞機中碰撞非常頻繁，但我們只記錄大約百萬分之一的碰撞數(shù)據(jù)，這意味著要扔掉99.9999%的數(shù)據(jù)。因此我們有一套標準數(shù)據(jù)庫作為比對的，這樣就能丟棄“已知”的物質(zhì)數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)某些數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中沒有匹配到，就會保存這些數(shù)據(jù)，這有可能就是新的物質(zhì)。
所以我們建造這些巨大的機器，制造碰撞，記錄數(shù)據(jù)，然后分析。那么我們在找什么？
將獲得的整體數(shù)據(jù)與我們預(yù)期的宇宙數(shù)據(jù)進行比較。
上圖是基本粒子的標準模型。這些粒子中的每一個都是通過實驗發(fā)現(xiàn)的，都是通過某種手段或方法直接探測到的。最后一個發(fā)現(xiàn)的粒子是希格斯玻色子，它是在2012年LHC第一次運行時發(fā)現(xiàn)的。
問題是，這些粒子中的每一個（基于電磁相互作用、弱和強相互作用）都應(yīng)該以特定的、已知的方式與所有其他的粒子相互作用（和衰變）。標準模型對粒子的相互作用和性質(zhì)的預(yù)測非常明確，所以當我們測量每一個粒子性質(zhì)時，實際上是在測試我們最基本的自然法則。現(xiàn)在，標準模型的理論與我們所有的觀察完全一致（即在實驗范圍內(nèi)）。
但仍有一些物理學(xué)目前無法解釋的難題，包括：
- 為什么中微子的質(zhì)量小而非零？標準模型預(yù)測其無質(zhì)量，因此可能存在其他尚未發(fā)現(xiàn)的粒子賦予了中微子質(zhì)量。
- 為什么我們在弱而非強的相互作用中看到了cp違反？缺乏強cp對稱破缺
- 為什么粒子的質(zhì)量都比普朗克質(zhì)量小這么多？（4.341 微克）預(yù)測可能標準模型中的粒子可能存在超對稱伙伴粒子。
- 為什么宇宙中物質(zhì)多于反物質(zhì)？
所有的問題有預(yù)示著標準模型不完善，或有新的粒子，或者有新的相互作用，或有額外的維度。這些問題的答案可能在很一段時間內(nèi)仍是一個謎。但大型強子對撞機也可能發(fā)現(xiàn)它們！這就引出了最后的，也是最激動人心的一點……
大型強子對撞機正在探索未知領(lǐng)域，為我們的宇宙圖景尋找新的、基本的組成部分。
如果暗物質(zhì)的靜止質(zhì)量低于1tev，那么 LHC應(yīng)該能看到它的確鑿信號。如果超對稱性（SUSY）是粒子的質(zhì)量遠小于普朗克尺度的原因，那么我們至少應(yīng)該在LHC中可以找到一個SUSY粒子。如果希格斯粒子不止一個，LHC應(yīng)該至少還能找到其中一個。如果物質(zhì)/反物質(zhì)不對稱性的關(guān)鍵在于電弱物理，那么大型強子對撞機（LHC）應(yīng)該會發(fā)現(xiàn)這一點。
現(xiàn)在看來，我們?nèi)祟惸壳暗母吣芪锢恚约坝钪鎸W(xué)真的都寄希望于大型粒子對撞機，沒有它，我們根本無從研究目前尚未解決的問題。
我們看不到大爆炸時宇宙發(fā)生了什么，但我們可以在對撞機中創(chuàng)造大爆炸。這個過程其實是一樣的，但這需要更大的能量，已經(jīng)更大的投資。現(xiàn)代的物理學(xué)比我們?nèi)祟惼袼胂蟮母訌?fù)雜和令人困惑。也就是說，并不是21世紀的科學(xué)沒有20世紀那么光彩奪目，而是太難了！
這就是大型強子對撞機正在做的事情，它是如何做的，以及它在尋找什么！
