想象一下，你剛剛抵達另一個太陽系中的一顆行星。突然，著陸五分鐘後，你發現了一種外星生命形式。這是一個驚人的發現！你可能會花費數十年時間試圖理解這種奇異的生物，探索它的特性並研究它是如何來到這裡的。與此同時，你期望周圍可能還有其他迷人的生物，甚至可能比第一個更令人著迷，並且可能更難一睹真容。
這就是粒子物理學家在我們開始一個新階段時的感受，這個新階段被稱為 Run 3，在位於日內瓦附近歐洲核子研究中心的世界最強大的粒子加速器：大型強子對撞機 (LHC) 中進行。本月是希格斯玻色子的發現 10 週年紀念日，這是一種長期尋求的粒子，早在近 50 年前就已被預測到。建造 LHC 的目的是為了找到希格斯玻色子，它做到了。它的下一個目標是找到線索，幫助我們解讀其他尚未解決的謎團。儘管自希格斯玻色子以來，該機器尚未發現其他新型基本粒子——尤其是流行的理論預測並可能仍然存在的超對稱粒子——但 LHC 的未來是充滿希望的。我們有許多新的途徑可以探索，也有許多理由保持樂觀。
希格斯玻色子的發現是在 LHC 開放僅四年後出現的幸運一擊——檢測到該粒子可能需要更長的時間，或者我們可能永遠找不到它。該粒子的質量可能不在對撞機可訪問的範圍內，或者它可能與其他粒子的相互作用不足以在 LHC 碰撞中產生。它甚至可能根本不存在。而大自然甚至更加仁慈：出於我們尚不理解的原因，它安排了希格斯玻色子的質量為質子質量的 125 倍，這個值使得希格斯玻色子以相似的速率衰變為我們已知的許多粒子。* 這種特性使得探索希格斯玻色子如何與這些其他粒子對話變得方便，併為尋找意外情況打開了許多機會。
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希格斯玻色子是粒子物理學標準模型中剩餘的部分，標準模型是我們關於自然界基本組成部分的屬性和相互作用的主要理論。然而，粒子物理學的許多內容並不符合這個模型。我們目前領域的狀況感覺就像試圖理解烹飪科學，而你所掌握的只是關於水沸騰理論的良好理解。標準模型對暗物質甚至引力都保持沉默。中微子是存在的，但它們的微小質量無法解釋。普通物質是存在的，但無法解釋大爆炸後它是如何戰勝反物質的。希格斯玻色子是存在的，但沒有嘗試解釋為什麼看不見的希格斯能量場在早期宇宙中開啟以賦予其他粒子質量——或者為什麼它們的質量像螞蟻和鯨魚的質量那樣不同，或者為什麼希格斯玻色子賦予自己一個質量，使當今宇宙處於宇宙不穩定的邊緣。
LHC 被設計為一臺發現機器，以幫助我們回答這些問題，對我們來說幸運的是，它還有 20 年的壽命才會關閉。對撞機上的旗艦探測器——ATLAS 和 CMS——在 Run 3 中已成為與 10 年前截然不同的實驗。兩者都獲得了升級的技術，新一代才華橫溢的科學家正在追求關於如何一窺可能存在的事物的新穎想法。在 Run 3 中，所有 LHC 實驗都將在多個方面推進到以前未探索的領域。我對未來可能發生的事情感到興奮得發抖。
我們已經能夠在 LHC 上產生數千個希格斯玻色子，現在正致力於檢測粒子可以產生並隨後衰變為其他粒子的更罕見的方式。在精確測量中有很多驚喜的機會，這些測量可能會顯示希格斯玻色子的產生或衰變與我們的標準模型預測略有不同，或者透過觀察與希格斯玻色子相關的奇異現象。例如，希格斯玻色子可能會衰變為暗物質，或者希格斯玻色子衰變可能會違反預期的物質與反物質之間的對稱性。
到目前為止，我們只看到了每次碰撞產生單個希格斯玻色子的碰撞。但我們認為，在一次碰撞中產生兩個希格斯玻色子也是可能的。這種“雙希格斯”產生將為我們提供一個直接視窗，瞭解希格斯能量場在大爆炸後是如何開啟的，因為它是對希格斯玻色子以及希格斯能量場自身相互作用強度的直接衡量。標準模型預測，產生兩個希格斯玻色子的碰撞將以有限但極小的速率發生，這表明這個過程將在 LHC 壽命接近尾聲時變得可檢測。這是一個令人興奮的前景，但也沒有令人信服的理由相信這個預測的細節：標準模型並沒有聲稱知道希格斯玻色子的起源，也沒有理解早期宇宙中看不見的希格斯場的機制。雙希格斯訊號可能會更早地在 Run 3 期間看到，這可能是由增強該過程的新粒子引起的。
十億次 LHC 碰撞中不到一次會產生希格斯玻色子，因此最初的發現就像在一個非常大的乾草堆中找到一根針。今天，理論家們已經提出了許多其他外星粒子的可能性，這些粒子最終可能會出現在我們的探測器中。但現在的挑戰類似於在乾草堆中尋找某物，而你甚至不知道你是在尋找針還是其他完全不同的物體。
其他新的機會也大量湧現。十年前，如果有人瘋狂到提出這個想法，大多數物理學家都會不屑一顧，認為我們可以將神經網路連線到 LHC 探測器來分析其發現。今天，由於我年輕同事和渴望突破人工智慧界限的行業合作伙伴開發的創新，一個網路每秒檢視 4000 萬次 LHC 碰撞，以決定哪些看起來足夠有趣，可以記錄下來供人類以後研究。
當您看到巨大的 ATLAS 和 CMS 探測器的照片時，您看到的大部分探測器體積是它們的外層部分，它被設計用來探測和測量一種特殊的粒子，稱為繆子——一種與電子類似的粒子，通常在粒子衰變時產生，包括希格斯玻色子。繆子比其他粒子更容易穿透物質，這些粒子在探測器的內部部分被阻止和測量。在過去的兩年裡，CMS 和 ATLAS 的創新者都意識到，他們可以重新利用外部探測器進行潛在的發現，否則這些發現可能會被錯過。許多試圖解釋暗物質的模型提出了奇異的長壽命粒子的存在，這些粒子可能會穿透內部探測器並在衰變為標準粒子之前到達外部探測器。這種情況將產生一種相對容易看到的發現訊號——但前提是你知道要尋找它。
在希格斯玻色子發現十年後，粒子物理學領域正蓬勃發展著旨在闡明深刻謎團的新想法。大型強子對撞機正在開始其生命的新篇章，擁有更強大的粒子束、增強的探測器能力和更復雜的技術，以實現發現。實驗學家和理論家都在這一激動人心的探索之旅中擴充套件他們的創造力前沿。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。
*編者注 (2022 年 7 月 6 日)：這句話在釋出後經過編輯，以更正希格斯玻色子以相似速率衰變為許多粒子的描述。*