當物理學家被迫用一個詞來回答我們為什麼要建造大型強子對撞機（LHC）這個問題時，我們通常會回答“希格斯”。希格斯粒子——我們當前物質理論中最後一塊尚未被發現的拼圖——是最引人注目的焦點。但完整的故事要有趣得多。新的對撞機提供了粒子物理學史上任何儀器能力的最大飛躍。我們不知道它會發現什麼，但我們所做的發現和遇到的新難題肯定會改變粒子物理學的面貌，並在鄰近的科學領域產生反響。
在這個新世界中，我們期望瞭解是什麼區分了自然界的兩種力——電磁力和弱相互作用——這對我們日常世界的概念具有廣泛的影響。我們將對簡單而深刻的問題獲得新的理解：為什麼會有原子？為什麼會有化學？是什麼使穩定的結構成為可能？
尋找希格斯粒子是關鍵的一步，但這僅僅是第一步。在此之後，還有一些現象可能會闡明為什麼引力比自然界的其他力弱得多，並可能揭示充滿宇宙的未知暗物質是什麼。更深層的是，洞察不同形式的物質、表面上不同的粒子類別的統一性以及時空本質的前景。所有正在討論的問題似乎都相互關聯，並且與最初促使預測希格斯粒子的問題糾纏在一起。大型強子對撞機將幫助我們完善這些問題，並將我們引上回答這些問題的道路。
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手頭的物質
物理學家們稱之為粒子物理學的“標準模型”（表明它仍然是一項正在進行中的工作）可以解釋許多關於已知世界的事物。標準模型的主要要素在 1970 年代和 1980 年代令人興奮的日子裡逐漸形成，當時一系列具有里程碑意義的實驗發現與新興的理論思想進行了富有成效的對話。許多粒子物理學家將過去的 15 年視為一個整合時期，與早期幾十年的動盪形成對比。然而，即使標準模型獲得了越來越多的實驗支援，越來越多的現象仍在其範圍之外，新的理論思想擴充套件了我們對更豐富、更全面的世界觀的構想。總而言之，實驗和理論的持續進步預示著未來十年將充滿活力。也許我們回顧過去會發現，革命一直在醞釀之中。
我們目前對物質的理解包括兩個主要的粒子類別：夸克和輕子，以及四種已知的基本力中的三種：電磁力、強相互作用和弱相互作用。引力暫時被放在一邊。組成質子和中子的夸克產生並感受到所有三種力。輕子，其中最著名的是電子，對強力免疫。區分這兩個類別的屬性類似於電荷，稱為色荷。（這個名稱是比喻性的；它與普通顏色無關。）夸克具有色荷，而輕子沒有。
標準模型的指導原則是其方程是對稱的。正如一個球體無論您從哪個角度觀察看起來都一樣，即使您更改定義方程的角度，方程也保持不變。此外，即使視角在空間和時間的不同點發生不同程度的偏移，方程也保持不變。
確保幾何物件的對稱性對其形狀施加了非常嚴格的約束。一個帶有凸起的球體不再從每個角度看起來都一樣。同樣，方程的對稱性對其施加了非常嚴格的約束。這些對稱性產生了由稱為玻色子的特殊粒子攜帶的力[參見 Gerard ’t Hooft 的“基本粒子之間力的規範理論”；《大眾科學》，1980 年 6 月；以及 Chris Quigg 的“基本粒子和力”；《大眾科學》，1985 年 4 月]。
透過這種方式，標準模型顛倒了路易斯·沙利文的建築格言：不是“形式追隨功能”，而是功能追隨形式。也就是說，理論的形式（以定義它的方程的對稱性表示）決定了理論描述的功能——粒子之間的相互作用。例如，強核力源於這樣的要求：描述夸克的方程必須相同，無論人們如何選擇定義夸克的色荷（即使這種約定是在空間和時間的每個點獨立設定的）。強力由八種稱為膠子的粒子攜帶。另外兩種力，電磁力和弱核力，屬於“電弱”力的範疇，並且基於不同的對稱性。電弱力由四種粒子攜帶：光子、Z 玻色子、W+ 玻色子和 W– 玻色子。
打破映象
電弱力理論是由謝爾頓·格拉肖、史蒂文·溫伯格和阿卜杜斯·薩拉姆提出的，他們因其努力而獲得了 1979 年諾貝爾物理學獎。弱力參與放射性 β 衰變，但並非作用於所有夸克和輕子。這些粒子中的每一個都以映象變體形式出現，稱為左手性和右手性，而 β 衰變力僅作用於左手性粒子——這是一個驚人的事實，在其發現 50 年後仍未得到解釋。左手性粒子之間的族對稱性有助於定義電弱理論。
在該理論構建的初始階段，它有兩個主要的缺點。首先，它預見了四種長程力粒子——稱為規範玻色子——而自然界只有一種：光子。其他三種的射程很短，小於約 10–17 米，小於質子半徑的 1%。根據海森堡不確定性原理，這種有限的射程意味著力粒子必須具有接近 1000 億電子伏特（GeV）的質量。第二個缺點是族對稱性不允許夸克和輕子具有質量，但這些粒子確實具有質量。
擺脫這種不令人滿意的情況的方法是認識到自然規律的對稱性不一定反映在這些規律的結果中。物理學家說對稱性被“打破”了。所需的理論裝置是由物理學家彼得·希格斯、羅伯特·布魯特、弗朗索瓦·恩格勒特和其他人在 1960 年代中期提出的。靈感來自一個看似無關的現象：超導性，其中某些材料在低溫下以零電阻導電。儘管電磁學定律本身是對稱的，但電磁學在超導材料中的行為卻不是。光子在超導體中獲得質量，從而限制了磁場對材料的侵入。
事實證明，這種現象是電弱理論的完美原型。如果空間充滿了影響弱相互作用而不是電磁力的“超導體”，它會賦予 W 和 Z 玻色子質量並限制弱相互作用的範圍。這種超導體由稱為希格斯玻色子的粒子組成。夸克和輕子也透過與希格斯玻色子的相互作用獲得質量[參見馬丁努斯·韋爾特曼的“希格斯玻色子”；《大眾科學》，1986 年 11 月]。透過以這種方式獲得質量，而不是內在地擁有質量，這些粒子仍然符合弱力的對稱性要求。
現代電弱理論（包含希格斯機制）非常精確地解釋了廣泛的實驗結果。事實上，夸克和輕子成分透過規範玻色子相互作用的正規化完全修訂了我們對物質的理解，並指出了當粒子被賦予非常高的能量時，強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用融合成一體的可能性。電弱理論是一項令人驚歎的概念成就，但它仍然是不完整的。它展示了夸克和輕子如何獲得質量，但沒有預測這些質量應該是多少。電弱理論對於希格斯玻色子本身的質量同樣是不確定的：粒子的存在是必要的，但該理論並沒有預測其質量。粒子物理學和宇宙學的許多突出問題都與電弱對稱性究竟是如何被打破的問題有關。
標準模型講述故事的地方
受到 1970 年代一系列有希望的觀測結果的鼓舞，理論家們開始認真對待標準模型，並開始探索其侷限性。1976 年末，伊利諾伊州巴塔維亞費米國家加速器實驗室的本傑明·W·李、現任弗吉尼亞大學的哈里·B·薩克和我設計了一個思想實驗，以研究電弱力在極高能量下的行為。我們想象了 W 玻色子、Z 玻色子和希格斯玻色子對之間的碰撞。這項練習可能看起來有點異想天開，因為在我們工作時，這些粒子中沒有一個被觀察到。但是，物理學家有義務透過考慮任何理論的含義來檢驗該理論，就好像其所有要素都是真實的一樣。
我們注意到的是這些粒子產生的力之間微妙的相互作用。擴充套件到非常高的能量，我們的計算只有在希格斯玻色子的質量不太大的情況下才有意義——相當於小於一萬億電子伏特，即 1 TeV。如果希格斯玻色子輕於 1 TeV，則弱相互作用仍然微弱，並且該理論在所有能量下都能可靠地工作。如果希格斯玻色子重於 1 TeV，則弱相互作用在該能量尺度附近增強，並隨之發生各種奇異的粒子過程。發現這種條件很有趣，因為電弱理論並沒有直接預測希格斯玻色子的質量。這個質量閾值意味著，除其他外，當大型強子對撞機將思想實驗變為現即時，將會發現一些新的東西——無論是希格斯玻色子還是其他新奇現象。
實驗可能已經觀察到希格斯玻色子的幕後影響。這種效應是不確定性原理的另一個結果，這意味著像希格斯玻色子這樣的粒子可以存在的時間太短暫以至於無法直接觀察到，但足夠長以至於可以在粒子過程中留下微妙的痕跡。位於歐洲核子研究中心（CERN）的大型正負電子對撞機（LHC隧道的前身）探測到了這種無形之手的作用。精確測量結果與理論的比較強烈暗示希格斯玻色子存在，並且質量小於約 192 GeV。
正如要求的那樣，希格斯玻色子的質量要小於 1 TeV，這提出了一個有趣的謎題。在量子理論中，質量等量不是一勞永逸地設定的，而是會受到量子效應的修正。正如希格斯玻色子可以對其他粒子施加幕後影響一樣，其他粒子也可以對希格斯玻色子做同樣的事情。這些粒子具有一系列能量，它們的淨效應取決於標準模型在何處讓位於更深層次的理論。如果模型一直保持到 1015 GeV，強相互作用和電弱相互作用似乎在那裡統一，那麼具有真正巨大能量的粒子會作用於希格斯玻色子並賦予其相當高的質量。那麼，為什麼希格斯玻色子的質量似乎不超過 1 TeV 呢？
這種張力被稱為等級問題。一種解決方案將是大量數字的新增和減法之間的不穩定平衡，代表不同粒子的競爭貢獻。物理學家已經學會對並非由更深層次的原則強制執行的極其精確的抵消持懷疑態度。因此，與我的許多同事一樣，我認為很可能在大型強子對撞機上會發現希格斯玻色子和其他新現象。
Supertechnifragilisticexpialidocious
理論家們探索了許多新現象可以解決等級問題的方法。一個主要的競爭者稱為超對稱性，它假設每個粒子都有一個尚未被看到的超對稱夥伴，該夥伴在自旋方面有所不同[參見 H. E. Haber 和 G. L. Kane 的“自然界是超對稱的嗎？”；《大眾科學》，1986 年 6 月]。如果自然界是完全超對稱的，則粒子和超對稱夥伴的質量將相同，並且它們對希格斯玻色子的影響將完全抵消。在那種情況下，物理學家現在應該已經看到了超對稱夥伴。我們還沒有看到，因此如果超對稱性存在，它一定是破缺的對稱性。如果超對稱夥伴的質量小於約 1 TeV，那麼對希格斯玻色子的淨影響仍然可以接受地小，這將使它們在大型強子對撞機的探測範圍內。
另一種選擇稱為技術色，它假設希格斯玻色子並非真正的基本粒子，而是由尚未觀察到的成分構成。（術語“技術色”指的是定義強力的色荷的推廣。）如果是這樣，希格斯玻色子就不是基本的。能量約為 1 TeV（與將希格斯玻色子結合在一起的力相關的能量）的碰撞將使我們能夠觀察其內部，從而揭示其複合性質。與超對稱性一樣，技術色意味著大型強子對撞機將釋放出名副其實的奇異粒子動物園。
第三個極具挑釁性的想法是，等級問題在仔細檢查後會消失，因為空間除了我們周圍移動的三個維度之外還有額外的維度。額外的維度可能會修改力強度隨能量變化的方式，並最終融合在一起。那麼，這種融合——以及新物理學的開始——可能不會發生在 1012 TeV，而可能發生在與額外維度大小相關的低得多的能量下，也許只有幾 TeV。如果是這樣，大型強子對撞機可能會讓我們窺探這些額外的維度 [參見尼瑪·阿卡尼-哈米德、薩瓦斯·迪莫波洛斯和喬治·德瓦利的“宇宙中看不見的維度”；《大眾科學》，2000 年 8 月]。
另一項證據指向 TeV 尺度上的新現象。構成宇宙物質內容主體的暗物質似乎是一種新型粒子[參見大衛·B·克萊恩的“尋找暗物質”；《大眾科學》，2003 年 3 月]。如果這種粒子以弱力的強度相互作用，那麼只要其質量介於約 100 GeV 和 1 TeV 之間，大爆炸就會產生足夠數量的這種粒子。無論是什麼解決了等級問題，都可能會為暗物質粒子提出一個候選者。
地平線上的革命
開啟 TeV 尺度的探索意味著進入實驗物理學的新世界。對這個世界進行徹底的探索——我們將在其中理解電弱對稱性破缺、等級問題和暗物質——是加速器實驗的首要任務。這些目標是充分合理的，並且與我們的實驗工具相匹配，大型強子對撞機將接替當前的“主力”，費米實驗室的萬億電子伏特加速器（Tevatron）對撞機。這些答案不僅將使粒子物理學感到滿意，還將加深我們對日常世界的理解。
但是，這些期望雖然很高，但仍然不是故事的結局。大型強子對撞機很可能會找到力完全統一的線索，或者粒子質量遵循合理模式的跡象。對新粒子的任何提出的解釋都將對我們已經知道的粒子的稀有衰變產生影響。非常有可能的是，揭開電弱面紗將使這些問題更加突出，改變我們思考這些問題的方式，並激發未來的實驗方向。
塞西爾·鮑威爾因發現稱為 π 介子的粒子而獲得了 1950 年諾貝爾物理學獎——物理學家湯川秀樹在 1935 年提出 π 介子是為了解釋核力——方法是在高山上將高靈敏度的照相乳膠暴露於宇宙射線。他後來回憶說：“當[乳膠]在布里斯托爾被回收和顯影時，立即明顯地看到一個全新的世界被揭示了……就好像突然間，我們闖入了一個圍牆果園，在那裡，受保護的樹木茁壯成長，各種奇異的水果大量成熟。” 這就是我設想我們第一次看到 TeV 尺度時的情景。