想象一下，你刚刚抵达另一个太阳系中的一颗行星。突然，着陆五分钟后，你发现了一种外星生命形式。这是一个惊人的发现！你可能会花费数十年时间试图理解这种奇异的生物，探索它的特性并研究它是如何来到这里的。与此同时，你期望周围可能还有其他迷人的生物，甚至可能比第一个更令人着迷，并且可能更难一睹真容。
这就是粒子物理学家在我们开始一个新阶段时的感受，这个新阶段被称为 Run 3，在位于日内瓦附近欧洲核子研究中心的世界最强大的粒子加速器：大型强子对撞机 (LHC) 中进行。本月是希格斯玻色子的发现 10 周年纪念日，这是一种长期寻求的粒子，早在近 50 年前就已被预测到。建造 LHC 的目的是为了找到希格斯玻色子，它做到了。它的下一个目标是找到线索，帮助我们解读其他尚未解决的谜团。尽管自希格斯玻色子以来，该机器尚未发现其他新型基本粒子——尤其是流行的理论预测并可能仍然存在的超对称粒子——但 LHC 的未来是充满希望的。我们有许多新的途径可以探索，也有许多理由保持乐观。
希格斯玻色子的发现是在 LHC 开放仅四年后出现的幸运一击——检测到该粒子可能需要更长的时间，或者我们可能永远找不到它。该粒子的质量可能不在对撞机可访问的范围内，或者它可能与其他粒子的相互作用不足以在 LHC 碰撞中产生。它甚至可能根本不存在。而大自然甚至更加仁慈：出于我们尚不理解的原因，它安排了希格斯玻色子的质量为质子质量的 125 倍，这个值使得希格斯玻色子以相似的速率衰变为我们已知的许多粒子。* 这种特性使得探索希格斯玻色子如何与这些其他粒子对话变得方便，并为寻找意外情况打开了许多机会。
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希格斯玻色子是粒子物理学标准模型中剩余的部分，标准模型是我们关于自然界基本组成部分的属性和相互作用的主要理论。然而，粒子物理学的许多内容并不符合这个模型。我们目前领域的状况感觉就像试图理解烹饪科学，而你所掌握的只是关于水沸腾理论的良好理解。标准模型对暗物质甚至引力都保持沉默。中微子是存在的，但它们的微小质量无法解释。普通物质是存在的，但无法解释大爆炸后它是如何战胜反物质的。希格斯玻色子是存在的，但没有尝试解释为什么看不见的希格斯能量场在早期宇宙中开启以赋予其他粒子质量——或者为什么它们的质量像蚂蚁和鲸鱼的质量那样不同，或者为什么希格斯玻色子赋予自己一个质量，使当今宇宙处于宇宙不稳定的边缘。
LHC 被设计为一台发现机器，以帮助我们回答这些问题，对我们来说幸运的是，它还有 20 年的寿命才会关闭。对撞机上的旗舰探测器——ATLAS 和 CMS——在 Run 3 中已成为与 10 年前截然不同的实验。两者都获得了升级的技术，新一代才华横溢的科学家正在追求关于如何一窥可能存在的事物的新颖想法。在 Run 3 中，所有 LHC 实验都将在多个方面推进到以前未探索的领域。我对未来可能发生的事情感到兴奋得发抖。
我们已经能够在 LHC 上产生数千个希格斯玻色子，现在正致力于检测粒子可以产生并随后衰变为其他粒子的更罕见的方式。在精确测量中有很多惊喜的机会，这些测量可能会显示希格斯玻色子的产生或衰变与我们的标准模型预测略有不同，或者通过观察与希格斯玻色子相关的奇异现象。例如，希格斯玻色子可能会衰变为暗物质，或者希格斯玻色子衰变可能会违反预期的物质与反物质之间的对称性。
到目前为止，我们只看到了每次碰撞产生单个希格斯玻色子的碰撞。但我们认为，在一次碰撞中产生两个希格斯玻色子也是可能的。这种“双希格斯”产生将为我们提供一个直接窗口，了解希格斯能量场在大爆炸后是如何开启的，因为它是对希格斯玻色子以及希格斯能量场自身相互作用强度的直接衡量。标准模型预测，产生两个希格斯玻色子的碰撞将以有限但极小的速率发生，这表明这个过程将在 LHC 寿命接近尾声时变得可检测。这是一个令人兴奋的前景，但也没有令人信服的理由相信这个预测的细节：标准模型并没有声称知道希格斯玻色子的起源，也没有理解早期宇宙中看不见的希格斯场的机制。双希格斯信号可能会更早地在 Run 3 期间看到，这可能是由增强该过程的新粒子引起的。
十亿次 LHC 碰撞中不到一次会产生希格斯玻色子，因此最初的发现就像在一个非常大的干草堆中找到一根针。今天，理论家们已经提出了许多其他外星粒子的可能性，这些粒子最终可能会出现在我们的探测器中。但现在的挑战类似于在干草堆中寻找某物，而你甚至不知道你是在寻找针还是其他完全不同的物体。
其他新的机会也大量涌现。十年前，如果有人疯狂到提出这个想法，大多数物理学家都会不屑一顾，认为我们可以将神经网络连接到 LHC 探测器来分析其发现。今天，由于我年轻同事和渴望突破人工智能界限的行业合作伙伴开发的创新，一个网络每秒查看 4000 万次 LHC 碰撞，以决定哪些看起来足够有趣，可以记录下来供人类以后研究。
当您看到巨大的 ATLAS 和 CMS 探测器的照片时，您看到的大部分探测器体积是它们的外层部分，它被设计用来探测和测量一种特殊的粒子，称为缪子——一种与电子类似的粒子，通常在粒子衰变时产生，包括希格斯玻色子。缪子比其他粒子更容易穿透物质，这些粒子在探测器的内部部分被阻止和测量。在过去的两年里，CMS 和 ATLAS 的创新者都意识到，他们可以重新利用外部探测器进行潜在的发现，否则这些发现可能会被错过。许多试图解释暗物质的模型提出了奇异的长寿命粒子的存在，这些粒子可能会穿透内部探测器并在衰变为标准粒子之前到达外部探测器。这种情况将产生一种相对容易看到的发现信号——但前提是你知道要寻找它。
在希格斯玻色子发现十年后，粒子物理学领域正蓬勃发展着旨在阐明深刻谜团的新想法。大型强子对撞机正在开始其生命的新篇章，拥有更强大的粒子束、增强的探测器能力和更复杂的技术，以实现发现。实验学家和理论家都在这一激动人心的探索之旅中扩展他们的创造力前沿。
这是一篇观点和分析文章，作者或作者表达的观点不一定代表《大众科学》的观点。
*编者注 (2022 年 7 月 6 日)：这句话在发布后经过编辑，以更正希格斯玻色子以相似速率衰变为许多粒子的描述。*