大型强子对撞机的5个发现 _小知识

有时，看似一桩小事却足以让你抓狂。 20世纪初，牛顿发现万有引力并完美解释了一系列现象，麦克斯韦写出了漂亮的电磁方程组，有一段时间，物理学家们似乎认为物理学的框架已经基本建立完成，接下来只是些零碎的修补工作而已。但是重视现实的开尔文提出物理学上空的两片“乌云” ，这引发了一场科学革命。其中一片“乌云”就是热学中的能量均分定理在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。

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大型强子对撞机（图片来源：盖蒂图片社）
粒子物理学和量子力学的研究对象都是微观粒子，这类研究方向的物理学家发现了两种基本作用力和许多奇怪的基本粒子。但是在上世纪70年代之前，物理学家对微观粒子的认识还只是停留在已发现的上百种粒子上，他们的工作也只是检验和完善标准模型--占有主导地位的理论。 30年后，物理学家利用加速器和对撞机发现亚原子微粒，这很重要。不过还存在着许多问题：为什么有些粒子有质量，而有些质量为零？四大基本作用力能够统一起来吗？广义相对论和量子力学之间的矛盾能消除吗？
这些尚未解决的问题是否又会引发另一场革命？要想找到答案，我们需要更强大的粒子对撞机，例如，周长为16.8英里（27公里）的内部温度低于外界温度的超导磁体环，还要能够在超高真空以接近光速的速度撞击粒子。 2008年9月10日，这个耗资100亿美元的大型强子对撞机（Large Hadron Collider ，简称LHC），由全球数百名科学家和工程师共同努力完成，联合欧洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research ，简称CERN），很快打破了粒子碰撞的记录。
让我们回顾一下研究人员通过这个大型强子对撞机的研究成果，从最著名的开始。
希格斯玻色子

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彼得?希格斯教授（Peter Higgs）（图片来源：盖蒂图片社）
在宏观世界里，我们假设所有尺寸的粒子都有质量。但是在微观世界中，电弱统一理论将电磁力和弱相互作用力统一为一种隐形的力，预测称为介质的特殊粒子不应该有质量，但是问题出在其实有些粒子确实有质量。
介质是力的载体。光子其实就是电磁波在空间中的传播，可以和其他粒子发生电磁相互作用， W和Z玻色子传递弱相互作用力。不过，光子是没有质量的，而根据欧洲核子研究中心， W和Z玻色子的质量差不多等价于100个质子的质量总和。
1964年，爱丁堡大学（University of Edinburgh）的物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)和弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)以及布鲁塞尔自由大学(Free University of Brussels)的罗伯特·布里特(Robert Brout)团队分别独立地提供一个解答（后称为希格斯机制）：假设存在这样一个特殊的场，也称希格斯场，粒子与场的相互作用程度决定了粒子传递的有效质量。如果希格斯场确实存在，那应该有介质粒子——希格斯玻色子，但是需要像大型强子对撞机这样的设备来检测这个粒子的存在。
2013年，物理学家证实希格斯玻色子的存在，其质量约为126千兆电子伏特，也相当于126个光子质量总和。由于质能等价性，物理学家有时候也使用电子伏特作为质量的单位。这个结论不仅改写了相关的参考书，还为研究宇宙的稳定性开辟了全新的研究领域。比如，为什么宇宙中的物质远多于反物质，以及暗物质的组成和丰度。