对撞机的把戏——把能量转换成物质

所以总的来说，标准模型就像十分高明的牌术，它把电磁力跟强、弱作用力统一了起来，是有史以来最成功的科学理论之一。然而想要让它真的奏效，物理学家们必须假设一种新粒子的存在，即希格斯玻色子（Higgs Boson），它与其他基本粒子质量的产生有关。寻找希格斯粒子是很重要的，因为如果它存在，就等于证实了标准模型的正确性。不幸的是，到目前为止，希格斯粒子还没有出现在我们的面前。

那么为什么还没有人能找到一个希格斯玻色子呢？有一个可能的答案是——目前我们还不能排除这种可能——就是它不存在。标准模型可能在某些重要方面出了错，但我们暂时还不知道是哪里。另外一种可能性是，直到现在，我们还没有足够高的对撞能量来制造它。为了把我的意思解释得更清楚，我们就得先聊一聊量子世界有多怪异，以及在像大型强子对撞机（LHC）这样的质子对撞机里到底会发生什么。

从某个角度来看，在欧洲核子研究理事会（CERN）巨大的探测器里发生的对撞，就跟你平时在台球桌上看到的碰撞类似。比如说，在大型强子对撞机（LHC）里质子碰撞时的能量是守恒的，就好像在酒吧里玩花式台球时，台球的能量也会守恒一样。区别在于，在台球桌上，你知道在任意碰撞之后，台球的数量是不会变的。在极小物体的世界里——或者按照物理学家的说法，量子世界——事情就不是这样了。当你让基本粒子对撞的时候，有时候你得到的粒子比放进去的多得多。

你可能大概知道为什么了，不管你有没有明白，因为答案就蕴藏在物理学最有名的公式E=mc2里。这个公式清晰地表达出，物质是能量的一种形式。原子弹清楚地为我们示范了一小块物质可以释放出多少能量，只要你找到释放它的方法——在投到长崎的原子弹里大概有1000克钚发生了裂变，就是大概有一包糖那么重的物质转化成了能量，然后就摧毁了那里。

原子弹是把物质转化成能量，而大型强子对撞机（LHC）这种粒子对撞机的功能刚好相反；换句话说，是把能量转化成物质。简单地说，你把需要相撞的粒子加速到很高的速度，它们就有很多能量，然后相撞时这些能量就被用来制造新的粒子。对撞的能量越高，你可能制造出来的新粒子就越大。大型的同步加速器可以把质子加速到相当快的速度，在大型强子对撞机（LHC）里，它们可以被加速到光速的99.9999991%，此时它们的速度快到可以每秒绕27公里长的轨道跑11000圈。在如此夸张的高速下，每一个质子所拥有的能量相当于它静止质量的7500倍。1这能量相当地大，并且这能量随时准备着转化成新的粒子。

注1：当你的速度达到光速的比例时，你的质量就会显著增加。这个现象也可以用爱因斯坦的著名公式来说明，因为“m”实际上是代表了：, m0是你静止的质量，v是你移动的速度，c是光速。当v接近c的时候，换句话说就是你的速度接近于光速的时候，就变得越来越小，而总质量m就会变得越来越大。当我们在第八章说到太空旅行的时候，我还会再提起这个来的。

这个能量因素可以帮我们解释，为什么我们从未在以前的对撞机里见过希格斯粒子，就是因为那些对撞能量不够高。大型强子对撞机（LHC）的前身之一大型正负电子对撞机，或者简称为大型电子正子加速器（LEP），已经可以排除希格斯粒子的质量小于质子的静止质量122倍的可能性，在我写下这段话时，数据显示希格斯粒子的质量是质子质量的125倍左右。基于大型强子对撞机（LHC）有可能产生质量高达质子质量1000倍的粒子，我们可以很有把握地说，只要希格斯粒子存在，大型强子对撞机（LHC）就会找到它。

那么希格斯粒子是什么样子的呢？答案是，我们不能直接观察到它：因为我们没有希格斯粒子的探测器。就像寻找圣诞老人一样，我们必须通过他所留下的东西来推断它的存在。对于希格斯粒子来说，留下来的东西不会是一个吃了一半的肉馅饼，或是一个空白兰地酒杯，但是会有一个跟希格斯粒子质量一样大的“遗失能量”。在每次实验过程中，数以百万计的交互反应都会被大型强子对撞机（LHC）的几部探测器检测到，电脑会在这无数起的事件中进行过滤，去寻找任何不寻常的事。希格斯粒子的出现会留下某种“痕迹”，而任何出现类似痕迹的事件都会被详细地加以分析，以判断希格斯粒子是否出现过。你或许会问，如果探测器出问题怎么办呢？如果这些复杂的机械出了状况，制造出了假的希格斯信号痕迹呢？亲爱的朋友，这就是为什么大型强子对撞机（LHC）会用超环面仪器（ATLAS）和紧凑渺子线圈（CMS）这两个探测器来探测这最隐秘粒子的原因。他们的想法很简单，当超环面仪器（ATLAS）说他们找到了一颗希格斯粒子，那么肯定地，超环面仪器（ATLAS）的竞争对手紧凑渺子线圈（CMS），在没有同样找到一个希格斯粒子之前，他们是绝对不会承认这个发现的。