在長達(dá)三年的小睡之后，世界上最強大的粒子對撞機蘇醒了，準(zhǔn)備幫助物理學(xué)家探索科學(xué)的最前沿，包括神秘的第五種自然力的是否存在。
“我們對跟進(jìn)[以前的]異常情況感到非常興奮，”哈珀說。“[但是，]我們也很緊張要讓一切都正確?！?/p>
什么是大型強子對撞機？
LHC位于法國和瑞士的邊界之間，是世界上最大（近16英里長）和最強大的粒子加速器。這個巨大的甜甜圈形對撞機使用超導(dǎo)磁體和質(zhì)子束以極高的能量（例如13.6萬億電子伏特）將已知粒子碰撞在一起。
這個數(shù)字聽起來可能很大，但如果換算成日常能量單位，如瓦特或焦耳，甚至不足以為100瓦的燈泡供電一小時（LHC能量大約相當(dāng)于2.1810^-6焦耳），而一個100瓦的燈泡需要360,000焦耳才能點亮一小時。）
但是不要以為你被迷惑了——對于像燈泡這樣相對較重的物體來說這可能并沒有多少能量，但它可以將非常輕的粒子加速到略低于光速的速度。
然后散布在環(huán)路周圍的探測器從這些碰撞中收集數(shù)據(jù)，以觀察粒子分裂成更小的碎片，從而揭示物理學(xué)中未知的領(lǐng)域。這些碎片可以包括夸克之類的東西，甚至是一類稱為玻色子的粒子。玻色子是包括光子在內(nèi)的超輕粒子家族，它們負(fù)責(zé)在粒子之間產(chǎn)生力，包括強核力和弱核力以及電磁力。就著名的希格斯玻色子而言，它甚至負(fù)責(zé)賦予粒子質(zhì)量。
除了將東西砸在一起帶來的興奮和好奇心之外，哈珀說科學(xué)家們使用大型強子對撞機來探索粒子物理學(xué)最重要理論的有效性：標(biāo)準(zhǔn)模型。自1970年代發(fā)展以來，該理論描述了科學(xué)家觀察到的幾乎所有亞原子粒子的行為，但最近的發(fā)現(xiàn)使這種至高無上的理論地位受到質(zhì)疑，包括2022年費米實驗室數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)，該發(fā)現(xiàn)表明存在某種玻色子，稱為W玻色子，可能比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的重得多。
哈珀說隨著大型強子對撞機的新升級，科學(xué)家們可能最終能夠解開這個謎團。如果LHC新的運行的數(shù)據(jù)觀察到標(biāo)準(zhǔn)模型未能預(yù)測到的行為，這可能是標(biāo)準(zhǔn)模型尚不知道的力或粒子的跡象。
“瞧，新物理學(xué)有發(fā)現(xiàn)了！”哈珀說。
檢測W玻色子的實驗
大型強子對撞機為何停止運行？
過去大型強子對撞機的運行一直是旁觀者擔(dān)心的主題，他們曾經(jīng)擔(dān)心對撞機發(fā)生災(zāi)難性事故，會產(chǎn)生危險的黑洞（事實上它不會產(chǎn)生），但懷疑者可以高枕無憂，因為知道對撞機的三年的休息只不過是定期的升級和維護。
事實上這不是第一次也不是最后一次發(fā)生這種情況。根據(jù)運行時間表，大型強子對撞機計劃在2030年代再停止兩次。哈珀說這些關(guān)閉的主要目的是逐步提升拋向?qū)ψ矙C內(nèi)的質(zhì)子束的能量能力，以提高粒子碰撞在一起的機會。
“物理學(xué)家想要更多的碰撞，”哈珀說?！癓HC及其探測器正在升級，以提供和記錄盡可能多的數(shù)據(jù)，這讓物理學(xué)家異常欣喜。”
LHC上周發(fā)出了兩束測試光束，該團隊打算在今年夏天晚些時候開始為Run3認(rèn)真收集數(shù)據(jù)。除了沿途短暫的維護中斷外，哈珀說Run3將持續(xù)到2025年底。
LHC獲得了哪些升級？
在2018年底開始的最近一次關(guān)閉期間，大型強子對撞機獲得了兩項主要升級：
提高其儀器的能量能力，使研究人員能夠創(chuàng)造更多更快的碰撞
更靈敏的數(shù)據(jù)收集軟件，具有更高的捕獲率，以增加研究人員可以記錄和分析的碰撞次數(shù)
總之這些升級應(yīng)該為探測器創(chuàng)建和記錄更多的碰撞。根據(jù)歐洲核子研究中心的說法，哈珀工作的探測器（CMS）應(yīng)該期望“在這次物理運行期間觀察到比前兩次物理運行加起來更多的碰撞”。其他正在進(jìn)行的實驗，包括ATLAS、ALICE和LHCb，可能會看到超過以前數(shù)量的50倍的碰撞。
除了升級現(xiàn)有實驗外，Run3還將推出兩個新實驗——FASER和SND@LHC——專門設(shè)計用于尋找標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理實驗。
左邊顯示了兩個W玻色子和一個Z玻色子被釋放，而另一個顯示兩個Z玻色子被釋放。
大型強子對撞機現(xiàn)在能做出什么發(fā)現(xiàn)？
對于哈珀來說大型強子對撞機在第3輪運行期間可能做出的最令人興奮的發(fā)現(xiàn)之一是深入挖掘LHCb在最后一次運行結(jié)束時觀察到的異常現(xiàn)象，該異常似乎指向超出標(biāo)準(zhǔn)模型物理學(xué)。在第2輪數(shù)據(jù)中，科學(xué)家們看到一種稱為B介子的玻色子分解成比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的更多的電子。
如果哈珀及其同事能夠用更多數(shù)據(jù)證實這一趨勢，科學(xué)家們認(rèn)為這可能是新的第五種力作用于這些粒子的證據(jù)。
“現(xiàn)在說任何[確定]還為時過早，但這讓我們非常興奮，我們真的很期待Run3能夠?qū)Υ颂峁└嗟男畔?，”哈珀說。
除了探索這種異?，F(xiàn)象，大型強子對撞機實驗者還希望通過尋找質(zhì)子碰撞中丟失的動量數(shù)據(jù)來更深入地挖掘其他謎團，包括構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子。特別是FASER將在這次狩獵中歸零。
但是盡管所有這些誘人的數(shù)據(jù)觸手可及，但哈珀表示，在收集這些數(shù)據(jù)和真正從中得出任何結(jié)論之間仍然存在相當(dāng)長的時間。對于像哈珀這樣熱心的科學(xué)家來說這可能是整個努力過程中最具挑戰(zhàn)性的部分。
“我們將不得不等待收集和仔細(xì)分析數(shù)據(jù)，”他說?！癧這]對我們來說很艱難，但我們已準(zhǔn)備好了！”
