在最后时刻，最后的质子以接近光速的速度飞行。它们以每秒 11,245 次的速度完成了阿尔卑斯山乡村下方的 27 公里环路，直到它们从金属线圈中释放出来，撞击到一个巨大的钢涂层石墨块。自 2018 年 12 月以来，除了零星的几次测试，大型强子对撞机 (LHC) 一直处于离线状态。但在 4 月 22 日，LHC 再次启动并开始其第三次运行。
“加速器已经关闭了三年，”LHC 紧凑渺子线圈 (CMS) 探测器的实验粒子物理学家弗雷亚·布莱克曼说。“所以有些人从未去过控制室……，从未上过班来获取数据。对于他们来说，这非常令人兴奋。”
LHC 位于法国和瑞士边境，是日内瓦附近欧洲核子研究中心 CERN 的掌上明珠。几乎从每个方面——资金、人员、物理尺寸——来看，LHC 都是世界上最大的粒子物理实验。2012 年，LHC 的两个实验，环形 LHC 装置 (ATLAS) 和 CMS，发现了希格斯玻色子，完成了对基本粒子质量起源长达五十年的探索。尽管研究人员吹捧其他成果，例如五夸克粒子的发现，但这些科学成果有时被一种感觉所掩盖，即 LHC 未能发现超越标准模型的“新物理学”，标准模型是对支配它们的基本粒子和力的成功但不完整的解释。
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在过去的几年里，停电的 LHC 远非闲置，而是一直处于活跃状态。工程师们已经开始升级对撞机的性能，以提高其“亮度”，本质上是衡量每平方厘米每秒可能发生的粒子碰撞次数的指标。与此同时，物理学家们也改进了他们的探测器，以跟上更高亮度带来的碰撞次数增加的步伐。研究人员还开发了新的分析方法，以更好地从成堆的数据中筛选出所谓的“针”。
随着第三次运行的开始，粒子物理学家面临着许多诱人的异常现象，从新的、出乎意料地重的 W 玻色子质量测量值，到长期存在的μ子 g−2 差异，但他们缺乏新物理学的确凿证据。“没有任何明显的闪光灯，”印度塔塔基础研究所的理论家尼西塔·德赛说。“这不像‘你会在那里得到一个发现’。”
虽然存在其他发现新物理学的途径，但对撞机仍然至关重要。没有比将基本粒子撞击在一起并检查残骸更好的方法来了解它们了。由于另一个可以取代它的对撞机的前景仍然遥遥无期，因此 LHC 可能是粒子物理学家发现标准模型之外的物质的最佳希望。
旧事物，新事物
到千禧年之交，粒子物理学家们正在完善宇宙基本组成部分的理论。对撞机数据显示，质子和中子是由胶子紧密结合在一起的夸克组成的，胶子因此得名。裂变和聚变发生在夸克交换 W 玻色子时。最轻的一对夸克，上夸克和下夸克，其次是较重的粲夸克和奇异夸克，然后是更重的底夸克和顶夸克。类似地，电子有更重的表亲，μ子和 τ 子，它们与电子相同，只是质量不同。广义而言，这些粒子分为组成物质的费米子和传递力的玻色子。
这个宏大的理论，也许是缺乏想象力地被称为“标准模型”，让很多人不满意。首先，它对引力保持沉默。标准模型也没有提及暗物质或暗能量——这两种神秘现象占宇宙质量的 95% 以上。特别是，物理学家们渴望知道标准模型的粒子从哪里获得质量。
1960 年代的理论家假设，粒子质量来自弥漫在整个空间中的一种不可察觉的场：粒子与该场相互作用越多，其质量就越大。英国理论家彼得·希格斯提出，该场将具有一个相关的粒子——希格斯玻色子。发现它将证实赋予基本粒子质量的机制。
在经历了最初几年坎坷之后，ATLAS 和 CMS 于 2012 年 7 月 4 日宣布，他们发现了一种质量约为质子 125 倍的“类希格斯”粒子。
这是一项历史性的成就，是物理学家以及工程师、电工、计算机技术人员、清洁人员等数十年工作的结晶。然而，发现希格斯玻色子并不令人震惊。“我认为如果你什么也没发现，人们会更加震惊，”德赛说。
2013 年至 2015 年间，LHC 进行了第一次长期停机，以进行维修和小型升级。然后，从 2015 年到 2018 年，LHC 进行了第二次运行，并以几乎是上次运行能量两倍的能量撞击了更多粒子。人们对新物理学的希望仍然相对较高。当 ATLAS 和 CMS 报告了 2015 年左右 750 吉电子伏特 (GeV) 的新粒子的迹象时，理论家们抓住了机会，并发表了数百篇关于该异常现象的论文。许多论文表明，这暗示了超对称性 (SUSY)，这是一种玻色子具有费米子对应物，反之亦然的理论类别——物质和力之间的一种新对称性。光子将通过光微子反映出来；夸克将通过超夸克反映出来。这些超对称对应物被认为隐藏在视线之外，质量更高。撇开命名惯例不谈，SUSY 理论对物理学家很有吸引力，因为超对称粒子的存在可以同时解释希格斯玻色子的低质量并为暗物质提供候选者。但随着更多信息的涌入，数据中的峰值被证明是一个统计异常，而不是一个新粒子。
“有一代物理学家被告知，一旦加速器启动，他们就会看到 SUSY [并] 发现新物理学。”布莱克曼说。“但是没有理由认为它应该如此容易。”
渴望发现的科学家已经开始在其他方向上寻找，例如长寿命粒子 (LLP)。当物理学家寻找新的重粒子时，他们假设寿命短暂——重达 125 GeV 的希格斯玻色子的寿命不到十亿分之一秒。然而，LLP 可以停留足够长的时间，以至于在衰变之前移出探测器的典型视野。在第三次运行期间，LHC 探测器将使用改进的分析方法来捕捉他们以前可能错过的 LLP。
标准模型的成功和未能“打破”它导致了对粒子物理学家正面临危机的指责，他们已经在沙漠中徘徊了 40 年。对于德赛来说，这种说法完全是本末倒置。“事实上，我想说粒子物理学或许正在从一场危机中走出，而我们以前并没有意识到我们正身处其中，因为每个人都在研究同一件事，”她说。“没有简单的答案，我认为大多数年轻人对此感到非常高兴。”
建造得过于庞大
即使其关键基础设施没有位于地下 100 米处，升级世界上最大的机器也将是一项艰巨的工作。
在每次多年的运行之后，LHC 的设备都需要翻新。CERN 技术主管何塞·米格尔·希门尼斯负责监督第二次长期停机，他快速列举了需要工作的领域：“技术基础设施、冷却、通风、配电、电气安全、电梯、起重机、所有这些花哨的门禁系统[和]火灾探测。”
在日常运行期间进行维修很困难，因为 LHC 的关键组件必须保持超低温。大约 130 吨液氦——大约相当于一头中型蓝鲸的重量——将 36,000 吨对撞机保持在 4 开尔文以下。这些组件，包括磁铁和气泡状加速腔，经过冷却，以便它们可以引导整个设施运行所需的巨大电流而不会产生任何电阻。机器升温需要数月时间，冷却回原状也需要数月时间，因此即使机器的冷部分出现一个小问题，也可能需要过长的时间才能修复。
在机器升温期间，工程师们完全更换了 LHC 束流的来源 Linac2——自 1970 年代以来一直在使用——更换为 Linac4；Linac 3 这个名称已经用于不同的加速器。在第三次运行期间，LHC 中碰撞的每个粒子都将从 Linac4 开始，以带电的氢离子汤的形式出现——本质上是带有两个电子的质子。来自这种汤的离子以“束”的形式发送出去，并加速到 160 兆电子伏特 (MeV)，是 Linac2 能量的三倍以上。
“通过提高注入能量，实际上可以存储更高的强度，”LHC 束流运行负责人约尔格·温宁格解释说。质子想要相互排斥，因为它们具有相同的电荷。但在更高的能量下，质子会产生一个磁场来抵消这种排斥力，并且可以在相同的空间内容纳更多质子。使用氢离子然后去除多余的电子进一步提高了束流密度，从而使每束束流由大约 1200 亿个质子组成，这些质子被压缩成大约 3 微米的直径。
图片来源：Nick Bockelman
CERN 高级物理学家贝蒂娜·米库莱茨说，这种密度至关重要，因为它决定了 LHC 的探测器最终会看到多少次碰撞，他领导了 Linac4 的运行。如果束流在开始时密度不高，那么稍后密度也不会高。
束流从注入器进入增压环，增压环现在将质子加速到 2 GeV，比 Linac2 提高了 43%。在进入主对撞机环时，质子会在探测器附近遇到新的铝束流管道。“不锈钢的问题在于金属内部的钴默认情况下会变得具有放射性，”希门尼斯说，“这始终是非常成问题的。”
为避免任何干扰，束流需要尽可能真空的环境。LHC 的束流线压力低至大气压的万亿分之一，因此被称为太阳系中最空旷的地方。希门尼斯说，质子可以行进数百小时，基本上零机会撞击到空气分子。
当 LHC 运行时——不仅是磁铁和束流，还包括计算机、低温系统和真空系统——它消耗的能量惊人：每年约 800 吉瓦时，约为整个日内瓦市的一半。“在某种程度上，我们是 CERN 的电力公用事业公司，”电气项目管理负责人马里奥·帕罗迪说。CERN 的电力主要来自法国，法国约 80% 的电网依赖核能。因此，用于撞击核子的电力大部分来自分裂原子核。
当新冠疫情席卷全球时，它暂停了停机——但只是暂停了一段时间。CERN 于 2020 年 3 月 24 日关闭，但据希门尼斯称，一些工作早在 5 月就恢复了。在整个疫情期间，团队必须意识到诸如将人们挤进工作空间等问题。电梯就像瓶颈，这使得下到地下变得更加困难，并引发了并非 COVID 独有的安全问题——任何类型的隧道事故都可能导致工人被困。
由于希门尼斯及其团队的周密计划，第三次运行的开始仅推迟了一年。
一切都被照亮
尽管他们没有获取数据，但探测器实验的物理学家们正忙于进行自己的维修和升级。
ATLAS 是一台巨大的管状机器，长 46 米，高 25 米，重约 7,000 公吨——相当于埃菲尔铁塔框架的重量。它的对应物 CMS 是一种紧密结合的探测器，尺寸是 ATLAS 的一半，但重量却是其两倍。CMS 使用螺线管（一种环形磁铁）来弯曲带电粒子（如 μ 子）的路径。
注入器的升级是为了创建更密集的束流，这意味着，对于第三次运行，ATLAS 和 CMS 的亮度都将在一段时间内有效地翻倍。更密集的束流意味着更多的碰撞，这意味着更多的数据，这意味着更有可能找到可能成为新物理学证据的罕见事件。
布莱克曼说，处理增加的亮度需要更快、更好地获取数据。ATLAS 和 CMS 都改进了他们的“触发器”——使用软件和硬件来识别粒子事件的系统，例如希格斯玻色子衰变为两个光子。尽早从混乱中筛选出清晰的事件对于后续分析至关重要。
这些升级需要进行一些拆卸。CMS 虽然很重，但它是由放置在类似气垫船的气垫上的切片构建而成，可以拉开。但是，将 CMS 分开并重新组装可能会产生微米级的位移，从而影响探测器。为了确保一切都在应有的位置，布莱克曼和她的同事使用穿过设备的宇宙射线的直线作为水平仪。
ATLAS 的一项关键升级是“新的小轮子”——应该说，这些轮子直径为 10 米，并不完全“小”，实际上也不会旋转。这些装满细线的薄腔室将捕获粒子（如 μ 子）的轨迹，因为它们从碰撞点向外飞向探测器的其余部分。
升级可能会导致新粒子的发现，但 ATLAS 和 CMS 还有其他职责。“你必须记住，这些实验不仅仅是发现机器。它们也是测量机器，”布莱克曼说。更好地理解我们已知的粒子本身就是重要的科学，精确地确定标准模型的参数可能有助于未来的实验打破它。
ATLAS 和 CMS 进行了适度升级，而大型强子对撞机底夸克 (LHCb) 探测器（它使用称为底夸克或 b 夸克的粒子来搜索罕见衰变）将被完全更换。“我们将开始调试一个全新的探测器，”LHCb 的实验粒子物理学家帕特里克·科彭堡说。“我们需要更高的分辨率，以便我们能够区分[粒子]。”
LHCb 将从每次质子束团交叉看到一次碰撞变为大约六次。如果探测器的分辨率太低，它可能会变成“黑色”——每个像素都被粒子击中，使其无法使用。科彭堡和他的同事安装了分辨率更高的粒子追踪器，他们希望这些追踪器能够为 LHCb 提供数据，以验证其在第二次运行中看到的诱人异常现象。
LHC 的最新成员远小于他们的同类——一个新的探测器可以舒适地放在手提箱中。前向搜索实验 (FASER) 旨在探测新的轻量级粒子，例如那些与暗区相关的粒子，而 FASERnu 旨在探测众所周知的粒子：中微子。
这两个探测器都位于一个舒适的隧道中，与 ATLAS 隔开数百米的坚固土壤。只有弱相互作用粒子（如中微子）或尚未知晓的暗区粒子才能完成这段旅程。幸运的是，来自 ATLAS 碰撞的任何轻量级粒子都高度聚焦。“粗略地说，大约 90% 的[粒子]实际上会穿过 480 米外拿着的一张纸，”加州大学尔湾分校的物理学家、FASER 的联合创始人乔纳森·冯说。“如果我们把它做得更大，实际上也不会增加太多事件率。”
FASER 本质上是一个大部分是空的管子，里面装满了旨在探测暗区粒子衰变的追踪器。FASERnu 使用相反的策略。“我们想要尽可能密集的材料，以使中微子真正发生相互作用，”冯说。探测器基本上由夹在 1,000 个钨板之间的相机胶卷制成。钨的高密度——几乎是铅的两倍——为中微子提供了更多的散射目标。在数据采集结束时，取出钨-胶卷三明治并进行分析。它在时间分辨率方面的牺牲——它没有时间分辨率——在空间分辨率方面得到了弥补，这将使冯和他的同事甚至能够识别出 τ 中微子衰变产生的毫米长轨迹。
对于最新加入的实验，基本上没有失望的空间。“我们基本上保证了有趣的物理学，”冯谈到 FASERnu 时说。“然后我们有推测性的、革命性的物理学。”如果 FASER 真的看到了暗区粒子，即使是一个小型探测器也可能迎来重大的新物理学。
观看，等待
随着第三次运行的开始，物理学家们已经将束流推到了新的最大能量 6.8 太电子伏特 (TeV)，超过了 LHC 之前创下的能量记录，使其成为人类创造的能量最高的粒子束。“到目前为止，一切进展顺利，”温宁格说。不过，理顺任何问题都需要时间。预计首次碰撞将在大约一个月后开始，届时能量会低得多。
“我们不知道什么在工作，什么没有立即工作，”科彭堡说。为了校准像 LHCb 这样的探测器，研究人员将不得不“逐个[重新发现]标准模型粒子”。只有当他们确定光子看起来像光子，电子看起来像电子等等时，他们才能对他们的结果充满信心。
即使一切都按计划进行，发现也需要时间。探测器可能会在第三次运行开始时发现新粒子的迹象，但科学家可能需要数年时间才能梳理大量数据并理清所有不确定性，然后才能得出任何结论。
与此同时，理论家将继续研究异常现象，并构想可能导致探测器所见差异的假设粒子。工程师也不是不感兴趣的参与者。“我们非常仔细地观察实验的进展，”希门尼斯说。“我们可以为未来的项目和未来的物理学创造技术，但我们无法发现任何东西。我的意思是，发现来自探测器。”
至于探测器、注入器、磁铁、数千吨超低温对撞机？所有这些都来自停机期间的辛勤工作。