世界上最强大的原子粉碎机取得了一些突破性的发现。

在这里，大型强子对撞机显示在 2022 年 4 月 22 日，这天原子粉碎机在经过三年的午睡后再次为 Run 3 重新启动。 （图片来源：欧洲核子研究中心）

大型强子对撞机 (LHC) 是世界上最大的粒子对撞机：现代粒子物理学的一个奇迹，它使研究人员能够探查现实的深处。 2012 年，位于法国和瑞士边境的 16.5 英里（27 公里）长的地下环，巨大的原子粉碎机让研究人员能够找到著名的希格斯玻色子的证据，并由此带来了许多其他发现。

建造大型强子对撞机需要多长时间？

大型强子对撞机的起源可以追溯到 1977 年，当时欧洲核研究组织 (CERN) 前主任约翰亚当斯爵士建议建造一条地下隧道，以容纳能够达到极高能量的粒子加速器，根据物理学家 Thomas Schörner-Sadenius 2015 年的历史论文。

该项目在 20 年后的 1997 年获得正式批准，并开始在通过法瑞边境下方的环上进行建设，该环能够将粒子加速到光速的 99.99% 并将它们粉碎在一起。据欧洲核子研究中心称，在环内，9,300 个磁铁以每秒 11,245 次的速度在两个相反的方向上引导带电粒子包，最终将它们聚集在一起进行正面碰撞。该设施每秒能够产生大约 6 亿次碰撞，喷出令人难以置信的能量，并且每隔一段时间，就会喷出一种前所未有的奇异重粒子。大型强子对撞机的运行能量比之前保持记录的粒子加速器——费米实验室在美国退役的 Tevatron 高出 6.5 倍。

大型强子对撞机的建造总成本为 80 亿美元，其中 5.31 亿美元来自美国。 来自 60 个不同国家/地区的 8,000 多名科学家合作进行实验。 加速器于 2008 年 9 月 10 日首次打开其光束，碰撞粒子的强度仅为其原始设计强度的 1000 万分之一。 2018年关闭升级，2022年4月22日再次开启，功率更高，碰撞率翻倍。 目标是将碰撞能量提高到创纪录的 13.6 TeV。

大型强子对撞机会毁灭世界吗？

在它开始运行之前，人们担心新的原子粉碎机会摧毁地球，也许是通过创造一个吞噬一切的黑洞。 但任何有声望的物理学家都会说，这种担忧是没有根据的。

“大型强子对撞机是安全的，任何关于它可能存在风险的建议都是纯属虚构，”欧洲核子研究中心总干事罗伯特艾马尔此前说。

这并不是说如果使用不当，该设施就不会有害。 如果您将手伸入光束中，光束会将运动中的航空母舰的能量聚焦到小于一毫米的宽度，它会直接穿过它，然后隧道中的辐射会杀死您。

LHC 发现了什么？

物理学家和工程师在 2017 年更换了 CMS 实验的核心，以提高其进行精确测量的能力。 （图片来源：欧洲核子研究中心）

在过去的 10 年里，大型强子对撞机在其两个主要实验 ATLAS 和 CMS 中将原子粉碎在一起，这两个实验分别操作和分析它们的数据。这是为了确保两个合作都不会影响对方，并且每个合作都可以检查他们的姊妹实验。这些仪器已经在基本粒子物理学的许多领域产生了 2,000 多篇科学论文。

2012 年 7 月 4 日，科学界屏息凝神地看着大型强子对撞机的研究人员宣布发现希格斯玻色子，这是一个有 5 年历史的理论物理学标准模型中的最后一块拼图。标准模型试图解释所有已知的粒子和力（重力除外）及其相互作用。早在 1964 年，英国物理学家彼得·希格斯就写了一篇关于现在以他的名字命名的粒子的论文，解释了宇宙中质量是如何产生的。

希格斯场实际上是一个渗透所有空间的场，并拖着每一个穿过它的粒子。一些粒子通过场的速度更慢，这对应于它们更大的质量。希格斯玻色子是物理学家半个世纪以来一直在追求的这一领域的体现。大型强子对撞机的建造是为了最终捕获这个难以捉摸的采石场。最终发现希格斯粒子的质量是质子的 125 倍，彼得·希格斯和比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒特都因预测其存在而于 2013 年获得诺贝尔物理学奖。

这条轨道是为 CERN 大型强子对撞机 (LHC) 上的 CMS 探测器建模的模拟数据示例，该探测器于 2008 年开始采集数据。（图片来源：Lucas Taylor/CERN）

即使有了希格斯粒子，物理学家也不能休息，因为标准模型仍然存在一些漏洞。一方面，它不涉及引力，这主要是爱因斯坦的相对论所涵盖的。它也没有解释为什么宇宙是由物质而不是反物质构成的，反物质应该在时间开始时以大致相等的数量被创造出来。它对暗物质和暗能量完全保持沉默，在它最初创建时尚未被发现。

在大型强子对撞机启动之前，许多研究人员会说下一个伟大的理论是超对称理论，它为所有已知粒子添加了相似但质量更大的孪生伙伴。这些重伙伴中的一个或多个可能是构成暗物质的粒子的完美候选者。而且，超对称开始掌握引力，解释了为什么它比其他三种基本力弱得多。在发现希格斯粒子之前，一些科学家希望玻色子最终会与标准模型的预测略有不同，这暗示了新的物理学。

但是当希格斯粒子出现时，它非常正常，正好在标准模型所说的质量范围内。虽然这对标准模型来说是一个伟大的成就，但它让物理学家没有任何好的线索可以继续下去。一些人已经开始谈论失去的几十年来追逐那些在纸上听起来不错但似乎与实际观察不相符的理论。许多人希望大型强子对撞机的下一次数据采集运行将有助于消除一些混乱。

LHC 现在在做什么？

大型强子对撞机中的这种加速器复合体有助于将粒子提升到超高能量。 （图片来源：欧洲核子研究中心）

LHC 于 2018 年 12 月关闭，经历了两年的升级和维修。据 CERN 称，重启该设施的计划因 COVID-19 大流行的爆发而推迟。终于，在 2022 年 4 月 22 日，大型强子对撞机开始准备再次探索粒子物理学的前沿。据 Live Science 报道，这个巨大的对撞机环在经过三年的午睡后被点燃，现在比以往任何时候都更强大。加速器将能够在能量略微增加的情况下将原子粉碎在一起，但每秒的碰撞次数会增加一倍。

大型强子对撞机之前运行的数据首次被用于发现机器内部的幽灵中微子、来自时间黎明的神秘原始“X”粒子，以及一种我们目前无法解释的奇怪模式宇宙。

在名为 Run 3 的新运行中，两个新实验将上线：FASER 和 [email protected]。通过大型强子对撞机内部的这些实验，物理学家将寻找“超越标准模型”的物理学。此外，特殊的质子-氦碰撞将显示反质子的产生频率，以解释物质为何超越宇宙；涉及氧离子的碰撞应该可以揭示宇宙射线和一种称为夸克胶子等离子体的物质状态，这种物质被认为是在大爆炸之后就存在的。

当然，已经有人在谈论一个更强大的粒子加速器来取代它，它位于同一区域，但体积是大型强子对撞机的四倍。巨大的替代品可能需要 20 年和 270 亿美元才能建成.