LHC，遭遇危机

大型强子对撞机设备（LHC）是一台埋设在法国-瑞士边境地下的环形装置，这个加速器重达5万吨，埋设深度约100米，有27千米长，耗资约80亿美元。有来自50多个国家的超过6 000名物理学家在那里工作，其中包括100多名中国研究人员。

“LHC又发现了新粒子”“LHC发现粒子名单出炉”……世界各大媒体都对它怀着巨大的期待。2007年5月，《纽约时报》以《向物理学最重大疑问大步挺进》为题对LHC做详细介绍，文中不乏这样的词汇：“他们已然准备就绪，重现宇宙诞生的景象。一次，再次，又一次……事实上，每秒3千万次，让宇宙一次又一次地诞生着。”但是，近年来LHC频频遭遇信任危机。

转折，一个消失不见的信号

2015年12月16日，LHC所属的两大探测器超环面仪器（ATLAS）和紧凑u子线圈（CMS）团队都发现了一对超高能光子，它们共带有高达750GeV（能量单位，表示十亿电子伏特。电子伏特代表1个电子在经过1个伏特的电场加速后所获得的动能）的能量。要知道现在已知最重的基本粒子顶夸克的能量也只不过173GeV而已。如此强大，且同时在两个独立探测器上显现的信号，以前从未出现过。于是科学家群情激昂。为了探讨这一可能变革带来的各种后果，几个月间，他们发表了 500多篇论文。

然而，在2016年采集的数据中，这个信号却消失了……怎么可能？是计算出了问题还是分析出了问题？哪根线搭错了？都不是。物理学家认为，只怪他们的运气太糟。要知道，ATLAS团队的出错概率只有不到两万分之一，CMS团队则只有不到三千分之一。

2016年8月5日，在美国芝加哥召开的第38届国际高能物理研讨会上，LHC团队共同宣布，所谓的发现新粒子只是一个幻象。“这是场噩梦”“这是一记重拳”“真是头痛”，那天，希望最终变成了失望，大部分物理学家的反应都充满困惑和失望。这些理论家曾相信，鉴于它的强大功率，LHC应能为某种超越标准模型的假说提供证据。40年来，科学家提出了多种此类假说：超对称、额外维度、第五种基本力……的确，标准模型的弊病众所周知：它无法解释85%的宇宙物质，无法解释宇宙中不存在反物质，也无法解决中微子的质量问题。所有这些谜团本应在巨大的圆环中找到答案：比如一些未知粒子。因此在过去的几个月间，专家们非常渴望一种新粒子能够成为其中的第一个。那么现在呢？如果LHC果真一无所获，就不得不否定科学家几十年来为突破标准模型所做的理论工作！

能量，到达设计极限

然而，LHC目前已经达到其设计能量极限，要进一步寻找新粒子，需建设能量和精度更高的机器。这或许是30年前该项目设计之初，唯一一件没人预料到的事情。

我们知道，大部分物质由分子、原子构成（还有部分等离子物质），原子由质子、中子组成的原子核和绕核旋转的电子构成。而质子和中子都由夸克和胶子组成，之后就没有发现更深层次的结构了，因此夸克、胶子和电子被称为基本粒子。在物理学标准模型的62种基本粒子中，其他61种都已被实验证实了存在，只有希格斯玻色子仍然悬而未决，它的难以捉摸也让研究者多了几分敬畏。如果它们就存在于我们身边的话，为什么这么多年都捕获不到它们的踪迹？实际上，每1012次的质子对撞，才可能产生一次希格斯玻色子。更麻烦的是，这种粒子一旦产生，十亿分之一秒后就会衰变成光子和强子等其他粒子。由于它难以寻觅又极为重要，因此也被称为“上帝粒子”。2012年，科学家宣布利用LHC发现了被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子，完成了粒子物理所谓的“標准模型”。

实际上，除了长期主导但并不完整的粒子物理“标准模型”中已有的成员，这台机器的对撞至今没有“召唤”出任何全新粒子。在对撞残骸中，物理学家没有找到能够组成暗物质的粒子，没有希格斯玻色子的兄弟姐妹，没有额外维度存在的迹象，没有轻子夸克——最重要的是，也没有人们苦苦寻找的超对称粒子。让科学界考虑30年，却没有验证一项正确的预测让人们能看到，这不免让科学家大失所望。

噩梦？一无所获

粒子可能隐藏在各种边缘角落。比方说，如果标量顶夸克和最轻的超中微子（超对称理论中的暗物质候选者）恰巧具有几乎相同的质量，它们可能至今还隐藏着。这是因为当撞击产生一个标量顶夸克并衰变出一个超中微子时，只有很少的能量会以运动的形式释放。肯定还会有其他发现？但是越来越多的专家却预感，LHC这个庞然大物可能终将一事无成。这确实不是一个好消息。我们必须正视这种可能性，因为可能性正在大幅增加。所谓只是验证了标准模型而已的说法越来越可信了。

新物理的缺失加深了自2012年就产生的危机，当时LHC第一次运行，证实了8TeV（能量单位，表示兆亿电子伏特）撞击将不会产生任何超越标准模型的新物理（那一年发现的希格斯玻色子是标准模型的最后一块拼图，而非它的扩展）。仍旧可能有一个救星粒子在前年晚些时候或去年出现，或许，当数据经过长时间的积累，会在已知粒子身上发现细微的惊喜，间接提供新物理的线索。但理论学家们已经逐渐开始准备接受“噩梦场景”了，那就是LHC根本无法把我们引向一个更加完整的自然理论。

信任，遭遇危机

尽管我们仍然认为科学发现可以由一位天才在自家地下室的实验室里独力完成，但事实上，为了能把质子加速到光速的99.9999991%，让其运动质量达到静止质量的7 000倍。整个LHC对撞系统装备有9 300块磁铁，并被冷却至-271.25℃。驱动这些探测器所需的电力供应是惊人的，几乎相当于北京市所有家庭用电的总和。LHC耗资大约80亿美元，其后每年所需的经费约为2.86亿美元。事实上每年仅电费消耗就达2 350万美元。要维持大型强子对撞机设备的正常运转，每年的预算开支至少达10亿美元。

没有成果，如果LHC在未来20年内能做到的只不过是验证标准模型，研究人员又如何说服决策者和其他领域的同事继续这项工作呢？拿什么理由来提出建造下一代对撞机的计划，或者更直接，要如何吸引青年才俊继续投身这一研究领域？

它曾有机会掀起一场革命。现在，似乎一切讨论都结束了，LHC的葬礼或许又开启了一个新纪元。如果标准模型是完美无缺的，那么剩余给后代的理论物理学家的事业，真的稀少而枯燥了。不过人类这种企图以一种理论的建构而一劳永逸的梦想有过多次，但是都最终惊醒。标准模型如果存在无法弥补的漏洞，那么对于年轻的物理学家们，并不是一件坏事，反而可以说是理论物理学春天到来了。

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