對撞機的把戲——把能量轉換成物質

所以總的來說，標準模型就像十分高明的牌術，它把電磁力跟強、弱作用力統一了起來，是有史以來最成功的科學理論之一。然而想要讓它真的奏效，物理學家們必須假設一種新粒子的存在，即希格斯玻色子（Higgs Boson），它與其他基本粒子質量的產生有關。尋找希格斯粒子是很重要的，因為如果它存在，就等于證實了標準模型的正確性。不幸的是，到目前為止，希格斯粒子還沒有出現在我們的面前。

那么為什么還沒有人能找到一個希格斯玻色子呢？有一個可能的答案是——目前我們還不能排除這種可能——就是它不存在。標準模型可能在某些重要方面出了錯，但我們暫時還不知道是哪里。另外一種可能性是，直到現在，我們還沒有足夠高的對撞能量來制造它。為了把我的意思解釋得更清楚，我們就得先聊一聊量子世界有多怪異，以及在像大型強子對撞機（LHC）這樣的質子對撞機里到底會發生什么。

從某個角度來看，在歐洲核子研究理事會（CERN）巨大的探測器里發生的對撞，就跟你平時在臺球桌上看到的碰撞類似。比如說，在大型強子對撞機（LHC）里質子碰撞時的能量是守恒的，就好像在酒吧里玩花式臺球時，臺球的能量也會守恒一樣。區別在于，在臺球桌上，你知道在任意碰撞之后，臺球的數量是不會變的。在極小物體的世界里——或者按照物理學家的說法，量子世界——事情就不是這樣了。當你讓基本粒子對撞的時候，有時候你得到的粒子比放進去的多得多。

你可能大概知道為什么了，不管你有沒有明白，因為答案就蘊藏在物理學最有名的公式E=mc2里。這個公式清晰地表達出，物質是能量的一種形式。原子彈清楚地為我們示范了一小塊物質可以釋放出多少能量，只要你找到釋放它的方法——在投到長崎的原子彈里大概有1000克钚發生了裂變，就是大概有一包糖那么重的物質轉化成了能量，然后就摧毀了那里。

原子彈是把物質轉化成能量，而大型強子對撞機（LHC）這種粒子對撞機的功能剛好相反；換句話說，是把能量轉化成物質。簡單地說，你把需要相撞的粒子加速到很高的速度，它們就有很多能量，然后相撞時這些能量就被用來制造新的粒子。對撞的能量越高，你可能制造出來的新粒子就越大。大型的同步加速器可以把質子加速到相當快的速度，在大型強子對撞機（LHC）里，它們可以被加速到光速的99.9999991%，此時它們的速度快到可以每秒繞27公里長的軌道跑11000圈。在如此夸張的高速下，每一個質子所擁有的能量相當于它靜止質量的7500倍。1這能量相當地大，并且這能量隨時準備著轉化成新的粒子。

注1：當你的速度達到光速的比例時，你的質量就會顯著增加。這個現象也可以用愛因斯坦的著名公式來說明，因為“m”實際上是代表了：, m0是你靜止的質量，v是你移動的速度，c是光速。當v接近c的時候，換句話說就是你的速度接近于光速的時候，就變得越來越小，而總質量m就會變得越來越大。當我們在第八章說到太空旅行的時候，我還會再提起這個來的。

這個能量因素可以幫我們解釋，為什么我們從未在以前的對撞機里見過希格斯粒子，就是因為那些對撞能量不夠高。大型強子對撞機（LHC）的前身之一大型正負電子對撞機，或者簡稱為大型電子正子加速器（LEP），已經可以排除希格斯粒子的質量小于質子的靜止質量122倍的可能性，在我寫下這段話時，數據顯示希格斯粒子的質量是質子質量的125倍左右。基于大型強子對撞機（LHC）有可能產生質量高達質子質量1000倍的粒子，我們可以很有把握地說，只要希格斯粒子存在，大型強子對撞機（LHC）就會找到它。

那么希格斯粒子是什么樣子的呢？答案是，我們不能直接觀察到它：因為我們沒有希格斯粒子的探測器。就像尋找圣誕老人一樣，我們必須通過他所留下的東西來推斷它的存在。對于希格斯粒子來說，留下來的東西不會是一個吃了一半的肉餡餅，或是一個空白蘭地酒杯，但是會有一個跟希格斯粒子質量一樣大的“遺失能量”。在每次實驗過程中，數以百萬計的交互反應都會被大型強子對撞機（LHC）的幾部探測器檢測到，電腦會在這無數起的事件中進行過濾，去尋找任何不尋常的事。希格斯粒子的出現會留下某種“痕跡”，而任何出現類似痕跡的事件都會被詳細地加以分析，以判斷希格斯粒子是否出現過。你或許會問，如果探測器出問題怎么辦呢？如果這些復雜的機械出了狀況，制造出了假的希格斯信號痕跡呢？親愛的朋友，這就是為什么大型強子對撞機（LHC）會用超環面儀器（ATLAS）和緊湊渺子線圈（CMS）這兩個探測器來探測這最隱秘粒子的原因。他們的想法很簡單，當超環面儀器（ATLAS）說他們找到了一顆希格斯粒子，那么肯定地，超環面儀器（ATLAS）的競爭對手緊湊渺子線圈（CMS），在沒有同樣找到一個希格斯粒子之前，他們是絕對不會承認這個發現的。