在最後時刻，最後的質子以接近光速的速度飛行。它們以每秒 11,245 次的速度完成了阿爾卑斯山鄉村下方的 27 公里環路，直到它們從金屬線圈中釋放出來，撞擊到一個巨大的鋼塗層石墨塊。自 2018 年 12 月以來，除了零星的幾次測試，大型強子對撞機 (LHC) 一直處於離線狀態。但在 4 月 22 日，LHC 再次啟動並開始其第三次執行。
“加速器已經關閉了三年，”LHC 緊湊渺子線圈 (CMS) 探測器的實驗粒子物理學家弗雷亞·布萊克曼說。“所以有些人從未去過控制室……，從未上過班來獲取資料。對於他們來說，這非常令人興奮。”
LHC 位於法國和瑞士邊境，是日內瓦附近歐洲核子研究中心 CERN 的掌上明珠。幾乎從每個方面——資金、人員、物理尺寸——來看，LHC 都是世界上最大的粒子物理實驗。2012 年，LHC 的兩個實驗，環形 LHC 裝置 (ATLAS) 和 CMS，發現了希格斯玻色子，完成了對基本粒子質量起源長達五十年的探索。儘管研究人員吹捧其他成果，例如五夸克粒子的發現，但這些科學成果有時被一種感覺所掩蓋，即 LHC 未能發現超越標準模型的“新物理學”，標準模型是對支配它們的基本粒子和力的成功但不完整的解釋。
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在過去的幾年裡，停電的 LHC 遠非閒置，而是一直處於活躍狀態。工程師們已經開始升級對撞機的效能，以提高其“亮度”，本質上是衡量每平方釐米每秒可能發生的粒子碰撞次數的指標。與此同時，物理學家們也改進了他們的探測器，以跟上更高亮度帶來的碰撞次數增加的步伐。研究人員還開發了新的分析方法，以更好地從成堆的資料中篩選出所謂的“針”。
隨著第三次執行的開始，粒子物理學家面臨著許多誘人的異常現象，從新的、出乎意料地重的 W 玻色子質量測量值，到長期存在的μ子 g−2 差異，但他們缺乏新物理學的確鑿證據。“沒有任何明顯的閃光燈，”印度塔塔基礎研究所的理論家尼西塔·德賽說。“這不像‘你會在那裡得到一個發現’。”
雖然存在其他發現新物理學的途徑，但對撞機仍然至關重要。沒有比將基本粒子撞擊在一起並檢查殘骸更好的方法來了解它們了。由於另一個可以取代它的對撞機的前景仍然遙遙無期，因此 LHC 可能是粒子物理學家發現標準模型之外的物質的最佳希望。
舊事物，新事物
到千禧年之交，粒子物理學家們正在完善宇宙基本組成部分的理論。對撞機資料顯示，質子和中子是由膠子緊密結合在一起的夸克組成的，膠子因此得名。裂變和聚變發生在夸克交換 W 玻色子時。最輕的一對夸克，上夸克和下夸克，其次是較重的粲夸克和奇異夸克，然後是更重的底夸克和頂夸克。類似地，電子有更重的表親，μ子和 τ 子，它們與電子相同，只是質量不同。廣義而言，這些粒子分為組成物質的費米子和傳遞力的玻色子。
這個宏大的理論，也許是缺乏想象力地被稱為“標準模型”，讓很多人不滿意。首先，它對引力保持沉默。標準模型也沒有提及暗物質或暗能量——這兩種神秘現象佔宇宙質量的 95% 以上。特別是，物理學家們渴望知道標準模型的粒子從哪裡獲得質量。
1960 年代的理論家假設，粒子質量來自瀰漫在整個空間中的一種不可察覺的場：粒子與該場相互作用越多，其質量就越大。英國理論家彼得·希格斯提出，該場將具有一個相關的粒子——希格斯玻色子。發現它將證實賦予基本粒子質量的機制。
在經歷了最初幾年坎坷之後，ATLAS 和 CMS 於 2012 年 7 月 4 日宣佈，他們發現了一種質量約為質子 125 倍的“類希格斯”粒子。
這是一項歷史性的成就，是物理學家以及工程師、電工、計算機技術人員、清潔人員等數十年工作的結晶。然而，發現希格斯玻色子並不令人震驚。“我認為如果你什麼也沒發現，人們會更加震驚，”德賽說。
2013 年至 2015 年間，LHC 進行了第一次長期停機，以進行維修和小型升級。然後，從 2015 年到 2018 年，LHC 進行了第二次執行，並以幾乎是上次執行能量兩倍的能量撞擊了更多粒子。人們對新物理學的希望仍然相對較高。當 ATLAS 和 CMS 報告了 2015 年左右 750 吉電子伏特 (GeV) 的新粒子的跡象時，理論家們抓住了機會，並發表了數百篇關於該異常現象的論文。許多論文表明，這暗示了超對稱性 (SUSY)，這是一種玻色子具有費米子對應物，反之亦然的理論類別——物質和力之間的一種新對稱性。光子將透過光微子反映出來；夸克將透過超夸克反映出來。這些超對稱對應物被認為隱藏在視線之外，質量更高。撇開命名慣例不談，SUSY 理論對物理學家很有吸引力，因為超對稱粒子的存在可以同時解釋希格斯玻色子的低質量併為暗物質提供候選者。但隨著更多資訊的湧入，資料中的峰值被證明是一個統計異常，而不是一個新粒子。
“有一代物理學家被告知，一旦加速器啟動，他們就會看到 SUSY [並] 發現新物理學。”布萊克曼說。“但是沒有理由認為它應該如此容易。”
渴望發現的科學家已經開始在其他方向上尋找，例如長壽命粒子 (LLP)。當物理學家尋找新的重粒子時，他們假設壽命短暫——重達 125 GeV 的希格斯玻色子的壽命不到十億分之一秒。然而，LLP 可以停留足夠長的時間，以至於在衰變之前移出探測器的典型視野。在第三次執行期間，LHC 探測器將使用改進的分析方法來捕捉他們以前可能錯過的 LLP。
標準模型的成功和未能“打破”它導致了對粒子物理學家正面臨危機的指責，他們已經在沙漠中徘徊了 40 年。對於德賽來說，這種說法完全是本末倒置。“事實上，我想說粒子物理學或許正在從一場危機中走出，而我們以前並沒有意識到我們正身處其中，因為每個人都在研究同一件事，”她說。“沒有簡單的答案，我認為大多數年輕人對此感到非常高興。”
建造得過於龐大
即使其關鍵基礎設施沒有位於地下 100 米處，升級世界上最大的機器也將是一項艱鉅的工作。
在每次多年的執行之後，LHC 的裝置都需要翻新。CERN 技術主管何塞·米格爾·希門尼斯負責監督第二次長期停機，他快速列舉了需要工作的領域：“技術基礎設施、冷卻、通風、配電、電氣安全、電梯、起重機、所有這些花哨的門禁系統[和]火災探測。”
在日常執行期間進行維修很困難，因為 LHC 的關鍵元件必須保持超低溫。大約 130 噸液氦——大約相當於一頭中型藍鯨的重量——將 36,000 噸對撞機保持在 4 開爾文以下。這些元件，包括磁鐵和氣泡狀加速腔，經過冷卻，以便它們可以引導整個設施執行所需的巨大電流而不會產生任何電阻。機器升溫需要數月時間，冷卻回原狀也需要數月時間，因此即使機器的冷部分出現一個小問題，也可能需要過長的時間才能修復。
在機器升溫期間，工程師們完全更換了 LHC 束流的來源 Linac2——自 1970 年代以來一直在使用——更換為 Linac4；Linac 3 這個名稱已經用於不同的加速器。在第三次執行期間，LHC 中碰撞的每個粒子都將從 Linac4 開始，以帶電的氫離子湯的形式出現——本質上是帶有兩個電子的質子。來自這種湯的離子以“束”的形式傳送出去，並加速到 160 兆電子伏特 (MeV)，是 Linac2 能量的三倍以上。
“透過提高注入能量，實際上可以儲存更高的強度，”LHC 束流執行負責人約爾格·溫寧格解釋說。質子想要相互排斥，因為它們具有相同的電荷。但在更高的能量下，質子會產生一個磁場來抵消這種排斥力，並且可以在相同的空間內容納更多質子。使用氫離子然後去除多餘的電子進一步提高了束流密度，從而使每束束流由大約 1200 億個質子組成，這些質子被壓縮成大約 3 微米的直徑。
圖片來源：Nick Bockelman
CERN 高階物理學家貝蒂娜·米庫萊茨說，這種密度至關重要，因為它決定了 LHC 的探測器最終會看到多少次碰撞，他領導了 Linac4 的執行。如果束流在開始時密度不高，那麼稍後密度也不會高。
束流從注入器進入增壓環，增壓環現在將質子加速到 2 GeV，比 Linac2 提高了 43%。在進入主對撞機環時，質子會在探測器附近遇到新的鋁束流管道。“不鏽鋼的問題在於金屬內部的鈷預設情況下會變得具有放射性，”希門尼斯說，“這始終是非常成問題的。”
為避免任何干擾，束流需要儘可能真空的環境。LHC 的束流線壓力低至大氣壓的萬億分之一，因此被稱為太陽系中最空曠的地方。希門尼斯說，質子可以行進數百小時，基本上零機會撞擊到空氣分子。
當 LHC 執行時——不僅是磁鐵和束流，還包括計算機、低溫系統和真空系統——它消耗的能量驚人：每年約 800 吉瓦時，約為整個日內瓦市的一半。“在某種程度上，我們是 CERN 的電力公用事業公司，”電氣專案管理負責人馬里奧·帕羅迪說。CERN 的電力主要來自法國，法國約 80% 的電網依賴核能。因此，用於撞擊核子的電力大部分來自分裂原子核。
當新冠疫情席捲全球時，它暫停了停機——但只是暫停了一段時間。CERN 於 2020 年 3 月 24 日關閉，但據希門尼斯稱，一些工作早在 5 月就恢復了。在整個疫情期間，團隊必須意識到諸如將人們擠進工作空間等問題。電梯就像瓶頸，這使得下到地下變得更加困難，並引發了並非 COVID 獨有的安全問題——任何型別的隧道事故都可能導致工人被困。
由於希門尼斯及其團隊的周密計劃，第三次執行的開始僅推遲了一年。
一切都被照亮
儘管他們沒有獲取資料，但探測器實驗的物理學家們正忙於進行自己的維修和升級。
ATLAS 是一臺巨大的管狀機器，長 46 米，高 25 米，重約 7,000 公噸——相當於埃菲爾鐵塔框架的重量。它的對應物 CMS 是一種緊密結合的探測器，尺寸是 ATLAS 的一半，但重量卻是其兩倍。CMS 使用螺線管（一種環形磁鐵）來彎曲帶電粒子（如 μ 子）的路徑。
注入器的升級是為了建立更密集的束流，這意味著，對於第三次執行，ATLAS 和 CMS 的亮度都將在一段時間內有效地翻倍。更密集的束流意味著更多的碰撞，這意味著更多的資料，這意味著更有可能找到可能成為新物理學證據的罕見事件。
布萊克曼說，處理增加的亮度需要更快、更好地獲取資料。ATLAS 和 CMS 都改進了他們的“觸發器”——使用軟體和硬體來識別粒子事件的系統，例如希格斯玻色子衰變為兩個光子。儘早從混亂中篩選出清晰的事件對於後續分析至關重要。
這些升級需要進行一些拆卸。CMS 雖然很重，但它是由放置在類似氣墊船的氣墊上的切片構建而成，可以拉開。但是，將 CMS 分開並重新組裝可能會產生微米級的位移，從而影響探測器。為了確保一切都在應有的位置，布萊克曼和她的同事使用穿過裝置的宇宙射線的直線作為水平儀。
ATLAS 的一項關鍵升級是“新的小輪子”——應該說，這些輪子直徑為 10 米，並不完全“小”，實際上也不會旋轉。這些裝滿細線的薄腔室將捕獲粒子（如 μ 子）的軌跡，因為它們從碰撞點向外飛向探測器的其餘部分。
升級可能會導致新粒子的發現，但 ATLAS 和 CMS 還有其他職責。“你必須記住，這些實驗不僅僅是發現機器。它們也是測量機器，”布萊克曼說。更好地理解我們已知的粒子本身就是重要的科學，精確地確定標準模型的引數可能有助於未來的實驗打破它。
ATLAS 和 CMS 進行了適度升級，而大型強子對撞機底夸克 (LHCb) 探測器（它使用稱為底夸克或 b 夸克的粒子來搜尋罕見衰變）將被完全更換。“我們將開始除錯一個全新的探測器，”LHCb 的實驗粒子物理學家帕特里克·科彭堡說。“我們需要更高的解析度，以便我們能夠區分[粒子]。”
LHCb 將從每次質子束團交叉看到一次碰撞變為大約六次。如果探測器的解析度太低，它可能會變成“黑色”——每個畫素都被粒子擊中，使其無法使用。科彭堡和他的同事安裝了解析度更高的粒子追蹤器，他們希望這些追蹤器能夠為 LHCb 提供資料，以驗證其在第二次執行中看到的誘人異常現象。
LHC 的最新成員遠小於他們的同類——一個新的探測器可以舒適地放在手提箱中。前向搜尋實驗 (FASER) 旨在探測新的輕量級粒子，例如那些與暗區相關的粒子，而 FASERnu 旨在探測眾所周知的粒子：中微子。
這兩個探測器都位於一個舒適的隧道中，與 ATLAS 隔開數百米的堅固土壤。只有弱相互作用粒子（如中微子）或尚未知曉的暗區粒子才能完成這段旅程。幸運的是，來自 ATLAS 碰撞的任何輕量級粒子都高度聚焦。“粗略地說，大約 90% 的[粒子]實際上會穿過 480 米外拿著的一張紙，”加州大學爾灣分校的物理學家、FASER 的聯合創始人喬納森·馮說。“如果我們把它做得更大，實際上也不會增加太多事件率。”
FASER 本質上是一個大部分是空的管子，裡面裝滿了旨在探測暗區粒子衰變的追蹤器。FASERnu 使用相反的策略。“我們想要儘可能密集的材料，以使中微子真正發生相互作用，”馮說。探測器基本上由夾在 1,000 個鎢板之間的相機膠捲製成。鎢的高密度——幾乎是鉛的兩倍——為中微子提供了更多的散射目標。在資料採集結束時，取出鎢-膠捲三明治並進行分析。它在時間解析度方面的犧牲——它沒有時間解析度——在空間解析度方面得到了彌補，這將使馮和他的同事甚至能夠識別出 τ 中微子衰變產生的毫米長軌跡。
對於最新加入的實驗，基本上沒有失望的空間。“我們基本上保證了有趣的物理學，”馮談到 FASERnu 時說。“然後我們有推測性的、革命性的物理學。”如果 FASER 真的看到了暗區粒子，即使是一個小型探測器也可能迎來重大的新物理學。
觀看，等待
隨著第三次執行的開始，物理學家們已經將束流推到了新的最大能量 6.8 太電子伏特 (TeV)，超過了 LHC 之前創下的能量記錄，使其成為人類創造的能量最高的粒子束。“到目前為止，一切進展順利，”溫寧格說。不過，理順任何問題都需要時間。預計首次碰撞將在大約一個月後開始，屆時能量會低得多。
“我們不知道什麼在工作，什麼沒有立即工作，”科彭堡說。為了校準像 LHCb 這樣的探測器，研究人員將不得不“逐個[重新發現]標準模型粒子”。只有當他們確定光子看起來像光子，電子看起來像電子等等時，他們才能對他們的結果充滿信心。
即使一切都按計劃進行，發現也需要時間。探測器可能會在第三次執行開始時發現新粒子的跡象，但科學家可能需要數年時間才能梳理大量資料並理清所有不確定性，然後才能得出任何結論。
與此同時，理論家將繼續研究異常現象，並構想可能導致探測器所見差異的假設粒子。工程師也不是不感興趣的參與者。“我們非常仔細地觀察實驗的進展，”希門尼斯說。“我們可以為未來的專案和未來的物理學創造技術，但我們無法發現任何東西。我的意思是，發現來自探測器。”
至於探測器、注入器、磁鐵、數千噸超低溫對撞機？所有這些都來自停機期間的辛勤工作。