粒子“万花筒”——对撞机探索发现之旅

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朱睿，中国科学院理论物理研究所

2023级博士研究生

导师：杨金民 研究员

方向：粒子物理与量子场论

你玩过万花筒吗？轻轻转动一下筒身，彩色碎片就在三面镜子之间反复反射，瞬间排列出一幅对称而绚丽的几何图案。再转一下，刚才的图案消失，一幅全新的画面又诞生了。那个小小的纸筒里，仿佛藏着一个无限变幻的宇宙。你永远不知道下一次转动会出现什么，却总被那种有序与随机交织的美牢牢吸引。

现在，请把想象力放大十万倍。在瑞士和法国边境的地下，一条周长 27 公里的环形隧道横卧在百米深处，那里坐落着目前世界上规模最大、能量最高的对撞机——大型强子对撞机（LHC）。质子被加速到接近光速，在环形隧道中沿相反方向狂奔，然后在预设的碰撞点上迎头相撞，这样的碰撞每秒钟发生数亿次。每一次碰撞的瞬间，巨大的能量汇聚在比原子还小得多的空间里，喷涌出各式各样的基本粒子。这些飞溅的粒子被巨大的探测器记录下来，像一个巨大的万花筒，呈现出一幅幅瞬息万变、五彩斑斓的微观烟火图。（图 1 展示了 LHC 上 ATLAS 探测器记录到的一个事例。）

图 1：ATLAS 于 2012 年记录的希格斯衰变的候选事例（图片取自 ATLAS[1]）。

万花筒里有彩纸和镜子；对撞机里有粒子和探测器。万花筒靠转动筒身改变图案；对撞机靠加速碰撞刷新图景。粒子物理学家的工作，本质上和那个盯着万花筒入迷的孩子并无二致——他们都想看清：当这些碎片飞散开来，究竟隐藏着怎样的秩序？

一、标准模型“全家福”

在进入对撞机的故事之前，我们先来回答一个问题：粒子物理要找什么？如果把宇宙比作一座无边无际的乐高城堡，我们要寻找的就是城堡里的每一块“积木”。几千年来，人类一直在追问物质由什么构成，从古希腊的原子猜想，到道尔顿的化学原子，再到卢瑟福发现原子核，每一次追问都把积木切得更小。二十世纪建立起的标准模型是目前最成功的粒子物理理论，它把自然界四种基本相互作用中的三种（即强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用）嵌入到同一理论框架中，并带给我们十分简洁的基本粒子图景。如图 2 所示，标准模型里有 12 种费米子，4 种矢量规范玻色子，1 种标量希格斯玻色子。

费米子是组成物质的基本粒子，按参与的相互作用类型分为夸克和轻子。轻子有六种，包括我们最熟悉的电子（ ），以及它的两个“表亲”——缪子（ ）和陶子（ ），外加三种几乎不与其他物质发生作用的中微子。夸克也有六种，分别被命名为：上（ ）、下（ ）、粲（ ）、奇（ ）、顶（ ）、底（ ）。

规范玻色子则是传播相互作用的信使。光子（ ）传递电磁相互作用； 玻色子和 玻色子传递弱相互作用；胶子（ ）传递强相互作用。

另外，还有一位特殊的成员——希格斯玻色子（ ）。它通过希格斯机制赋予除中微子以外的费米子以及 和 玻色子质量。

图 2：标准模型的基本粒子（图片修改自 Wikipedia[2]），其中蓝色背景的粒子是在对撞机上发现的。

在这张“全家福”里，有些粒子很早就被人类认识了。电子在 1897 年就被发现，光子在光量子理论中也早已登场，但图 2 中蓝色背景所示的近一半粒子成员都是自二十世纪七十年代以来在对撞机上发现的（注：其中 夸克由固定靶实验和对撞机实验共同发现）。可以说，对撞机在标准模型建立的过程中起到了不可或缺的作用。

二、对撞机——粒子工厂

基本粒子那么小，要“看见”它们为什么需要对撞机呢？

首先，粒子物理对于高能量的追求是自然而然的。一方面，根据不确定性关系，探测越微观的结构就需要波长越短的探针，对应于动量越高的粒子。另一方面，按照爱因斯坦著名的质能关系公式，能量可以转化为质量，只有能量足够高才能产生重的、稀有的粒子。

高能粒子可以自然来源于宇宙大爆炸早期或者高能宇宙线，对宇宙线的观测帮助人们发现了很多新粒子，但这种风餐露宿的狩猎方式属于靠天吃饭，产量极低，既不能观测到全部的基本粒子，也不足以让我们进行系统精确的研究。

所幸，人类用自己的智慧制造了粒子加速器，可以通过电磁场把真空管道中的带电粒子加速到接近光速，从而实现了高能粒子的工业化大生产。早期，加速器产生的高能粒子束流只能轰击固定靶，质心系的对撞能量只正比于束流粒子能量的二分之一次方，这一关系限制了固定靶实验的能量提升。而对撞机是一种能加速两束粒子并让它们对撞的加速器，质心系能量与粒子束流的能量呈线性关系，所以对撞机实验更容易实现高能量。

要观测对撞机上产生的大量微观粒子，还需要一台十分精密的“相机”——粒子探测器。探测器通常像洋葱一样分成好几层，每一层负责测量不同的物理量。以 LHC 上的 ATLAS 探测器为例，如图 3 所示，最内层（径迹探测器）记录带电粒子的飞行轨迹，在磁场中正负电荷会朝相反方向弯曲，弯曲的半径越大，粒子的动量就越大；中间层（量能器）测量粒子的能量，电子和光子在电磁量能器中释放全部能量，而强子的能量则主要在较外层的强子量能器中被吸收；最外层（缪子探测器）用于捕捉穿透力极强的缪子。

图 3：ATLAS 实验示意图（图片修改自 ATLAS[3]）。

从每秒数亿次的碰撞中，用复杂的算法可以重建出每一次碰撞产生了哪些粒子、它们的能量和动量是多少，然后判断有没有出现新的、从未见过的粒子，就像在万花筒的万千变换中，识别出那一幅从未出现过的图案。

三、对撞机上的发现之旅

现在，让我们沿着时间线，回顾那些写进物理学史的对撞时刻。

1. 粲夸克（1974 年）和陶子（1975 年）

1970 年，格拉肖、李尔普罗斯、梅安尼为解决味道改变中性流问题提出 GIM 机制，考虑了轻子-夸克的对称性。而当时有四中轻子（电子、缪子及其对应的中微子），但只有三种夸克（ 、 、 ），这种不对称给出了第四种夸克——粲夸克存在的理论动机。

1974 年，丁肇中团队在美国布鲁克海文国家实验室用高能质子束轰击铍靶，发现了质量约 的 粒子[4]；几乎同时，里克特团队在斯坦福的 SPEAR 正负电子对撞机上独立观测到同一能区的 粒子[5]。两个团队用完全不同的实验方法撞出了同一个新粒子，它的名字被合二为一，称为 粒子。 粒子由一对正反粲夸克组成，它的发现被称为粒子物理“十一月革命”。两年后，丁肇中和里克特共同获得了 1976 年诺贝尔物理学奖。

粲夸克发现后，人们找齐了完整的两代夸克和两代轻子，但这种对称性很快又被打破了。1975 年，同样是在 SPEAR 正负电子对撞机上，佩尔领导的实验组发现了第三代轻子（ ）[6]，宣告了第三代费米子的存在。佩尔因为 轻子的发现与莱因斯共同获得 1995 年诺贝尔物理学奖。

值得一提的是，在这些发现的激励下，1988 年，中国建成了自己的高能物理实验装置——北京正负电子对撞机（BEPC），它工作在陶-粲能区，束流能量为 - ，配备有北京谱仪探测器，是国际粲物理研究的重要力量。

2. 胶子（1979 年）

胶子虽然没有质量，但被禁锢在强子内部，极难被观测到。德国 DESY 实验室的 PETRA 加速器在 1978 年至 1986 年间用于正负电子对撞，并运行着 JADE、MARK J、PLUTO 和 TASSO 四个实验。起初，PETRA 在 对撞能量附近运行，1979 年春天升级到 ，为产生胶子提供可能。1979 年 6 月，在挪威卑尔根举行的粒子物理会议上，TASSO 实验组首次公布了一张显示三喷注事例的图像。不久之后，其他三个小组也展示了观测到的三喷注现象。正负电子对湮灭可以产生一对正反夸克，根据 QCD 理论，夸克或反夸克有可能辐射出一个胶子。三喷注事例中的两个喷注分别来自正反夸克，另一个喷注来自胶子，强有力地证实了胶子的存在。

图 4：TASSO 实验组公布的三喷注典型事例（图片取自 DESY 网站[7]）。

3. 和 玻色子（1983 年）

1976 年，欧洲核子中心（CERN）的超级质子同步加速器（SPS）开始运行。它位于周长 7 公里的隧道里，可以提供能量高达 的质子束。SPS 最初用于固定靶实验，鲁比亚提出可以用 SPS 的存储环建造质子-反质子对撞机。随后，得益于范德米尔发明的随机冷却技术，1980 年建成了可以提供反质子束的反质子累积器。1981 年，反质子束经加速后注入 SPS，实现了 能量的质子和反质子的对撞。1983 年，SPS 的 UA1 和 UA2 两个实验组共同发现了 玻色子[8,9]和 玻色子[10,11]，弱相互作用的信使终于现身了。

仅一年后，鲁比亚和范德米尔就获得了 1984 年诺贝尔物理学奖。 和 玻色子的发现，直接有力地证实了电弱统一理论的正确性，是标准模型的一次重大胜利。

4. 顶夸克（1995 年）

1975 年 轻子发现后，人们自然开始期待第三代夸克的出现，第五种夸克（底夸克）并没有让人们等太久。1977 年，美国费米实验室莱德曼团队主导的 E288 实验通过高能质子束轰击铂靶发现了 粒子[12]，它由底夸克及其反粒子组成。

而第六种夸克（顶夸克）实在太重，一时并没有能企及这么高能量的对撞机，直到 1985 年，美国费米实验室的 Tevatron 开始运行。Tevatron 周长 6.28 公里，采用质子-反质子对撞，质心碰撞能量最高可达 ，配有 CDF 和 DØ 两个探测器。它建成时是世界上能量最高的对撞机，直到关闭的前两年才被 LHC 超越。1995 年，Tevatron 上终于积累了足够的数据，CDF 和 DØ 实验组宣布发现了顶夸克[13,14]。

5. 希格斯玻色子（2012 年）

1964 年，恩格勒和布劳特，希格斯，古拉尔尼克、哈根和基布尔分别提出了通过规范对称性自发破缺使粒子获得质量的机制（被称为希格斯机制），预言了赋予其他粒子质量的希格斯玻色子的存在。二十世纪八十年代起，CERN 的大型轻子对撞机（LEP）和费米实验室的 Tevatron 都为寻找希格斯粒子付出了巨大努力，虽然未能证实希格斯粒子的存在，但排除了很大一部分可能的质量区间。

2000 年 LEP 停止运行，之后在它的隧道里建成了 LHC。LHC 于 2009 年开始运行，主要进行质子-质子对撞，寻找希格斯玻色子是它最重要的科学目标。2012 年，LHC 上的 ATLAS 和 CMS 两个实验组同时宣布了他们各自独立在 附近观测到的新粒子信号[15,16]，与希格斯粒子的预言一致。希格斯粒子的发现补全了标准模型最后一块拼图。恩格勒和希格斯因此获得了 2013 年诺贝尔物理学奖。

四、未完待续——下一代对撞机寻找什么？

希格斯玻色子的发现并不意味着故事的终结，恰恰相反，它像一把钥匙打开了一扇紧闭的大门，门后是一条通向更深层未知的走廊。标准模型虽然精美绝伦，却留下了太多无法回答的问题：暗物质是什么？为什么宇宙中物质比反物质多？中微子为什么有质量？这些问题指向同一个结论——标准模型不是终极理论。超出标准模型的物理被为新物理，而寻找新物理正是下一代对撞机的核心使命。

2026 年 6 月 14 日，LHC 刚刚完成了最后一次对撞，停机后将通过为期四年的重大升级建成高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）。HL-LHC 预期将获得十倍于 LHC 的事例，从而提高发现新物理的潜力。

希格斯粒子发现后，其性质有待精确测量，任何与标准模型的微小偏差都意味着新物理的存在。相比于强子对撞机，轻子对撞机初始状态精确已知，物理过程简单，背景较为干净，十分擅长精确测量和检验。全球高能物理界已就将正负电子希格斯工厂作为优先级最高的下一代对撞机达成了共识，对此，中国和欧洲分别给出了 CEPC 和 FCC-ee 两大核心项目方案。

除了正负电子对撞机，人们还在探索一种更具野心的装置——缪子对撞机。缪子的质量是电子的约 200 倍，质量越大，在环形轨道上转弯时辐射损失的能量就越少。同样周长的环形隧道，缪子对撞机可以达到比电子对撞机高得多的能量，从而有望兼顾高能量和高精度。但缪子的寿命极短，缪子对撞机工程难度极高，目前处于概念研究和关键技术验证阶段。

人类对自然的探索不会止步，对撞机上对这个世界的观察也还在路上。万花筒的迷人之处在于，每一次转动都可能看到一个从未见过的世界。对撞机也是这样，一幅更宏大的图景可能就藏在下一次对撞之中。

参考文献

[1] ATLAS, Event display of a H → 4e candidate event [EB/OL]. 2012. https://cds.cern.ch/record/1459495.

[2] Cush. Standard Model of Elementary Particles [EB/OL]. 2019. https://en.wikipedia.org/wiki/File:Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg.

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[5] Augustin J E, et al. Discovery of a Narrow Resonance in e+ e- Annihilation [J]. Phys. Rev. Lett., 1974, 33: 1406-1408.

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文章转载自"中国科学院理论物理研究所"公众号