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物理学家们正变得焦躁不安。他们研究自然界最小物质单元的最珍贵工具——大型强子对撞机（LHC）粒子加速器——自 2012 年底以来一直处于关闭状态，用于耗资 1.63 亿美元的升级改造。但在两个月内，它将带着复仇的姿态回归，以人造机器从未达到的惊人能量水平碰撞质子。物理学家们希望这些能量足以产生新的粒子或现象，从而揭示宇宙迄今为止不愿透露的秘密。特别是，即将到来的 LHC 运行可能产生支持一种名为超对称性的理论的证据，如果额外的粒子和物质维度出现，该理论将得到证实——并且它将解释宇宙中许多令人费解的方面。
地球上最大的机器，LHC 包含一个位于法国和瑞士地下的环形隧道，周长 27 公里。在这个于 2008 年首次启用的环形隧道内，朝相反方向发射的质子加速到接近光速，然后正面撞击并爆炸。爆炸后，它们的能量转化为质量，以粒子的形式出现——其中一些是在自然界中罕见的奇异粒子。其中一种粒子，希格斯玻色子，在理论家们在四十多年前预测其存在之后，于 2012 年在对撞机中被发现。现在科学家们希望 LHC 能够重现这一壮举，并揭示更多的新粒子——甚至可能是其他更重的希格斯玻色子版本。
LHC 的能量提升可能会使这些新粒子更容易被探测到。其质子过去以 8 万亿电子伏特 (TeV) 的能量碰撞，但该机器的电磁场现在将为它们注入更多能量，使其以 13 TeV 的能量碰撞。粒子将于三月底开始在环形隧道中运行，如果一切顺利，首次碰撞将于五月份开始。为了适应能量的提升，工程师在停机期间对设备进行了广泛的改进。特别是，他们加强了环形隧道数千个强大磁体之间的互连。磁体使质子保持圆形运动；当质子变得更具能量时，它们需要更强的磁场才能保持在轨道上。过去产生 5.9 特斯拉强度磁场的磁体现在将产生 7.7 特斯拉的磁场。
“我们打开了所有的互连装置，检查了它们，并彻底重做了其中三分之一，”LHC 的所在地 CERN（欧洲核子研究中心）加速器部门负责人 Frédérick Bordry 说。“这是一次有趣的冒险。” 工人们还对机器的其他数千个组件进行了维护，并进行了彻底的测试，以确保对撞机的健康运行。Bordry 表示，他相信 LHC 不会重蹈七年前加速器首次启用后不久发生的电气故障的覆辙，那次故障导致磁体严重损坏，使运行推迟了 14 个月。
得益于爱因斯坦的 E = mc2 定律，升级后的加速器现在将能够探索一个全新的粒子和相互作用领域。该方程式表明，能量 (E) 等于质量 (m) 乘以光速 (c) 的平方。因此，投入碰撞的能量决定了产生的粒子可能有多大质量。“如果能量是原来的两倍，这意味着我们可以产生质量是原来两倍的粒子，”LHC 的 Atlas 实验副主管 Beate Heinemann 说。“这也意味着我们可以以大大提高的速率产生质量较低的粒子。例如，以前一秒钟产生 10 个，现在我们将一秒钟产生 1000 个。我们有更好的机会看到它们。”
可能出现的新粒子中，包括超对称性预测的粒子，例如额外的希格斯玻色子，以及自然界中所有已知粒子的更重的“伙伴”粒子——例如伴随原子内常见电子的“超电子”。超对称性之所以吸引人，是因为它可以解释宇宙的某些方面，而现有的粒子物理理论，即标准模型，无法解释这些方面。例如，标准模型无法解释天文学家认为构成宇宙中大部分物质的不可见的暗物质。然而，超对称性预测的额外粒子似乎是构成暗物质的完美候选者。标准模型也无法解释宇宙主要由物质而不是反物质构成的原因，反物质被认为在宇宙诞生时与物质以同等比例存在。另一方面，超对称性的伙伴粒子可以解释这一结果，因为它们可能会干扰物质或反物质粒子的衰变方式，从而导致不对称性，这种不对称性可能使物质占主导地位。
然而，尽管标准模型存在缺陷，但迄今为止在 LHC 中观察到的一切，包括希格斯玻色子，都与该理论相符。“我们知道标准模型不可能是一个完整的理论，不可能是一个最终答案，这就是为什么它在第一次运行中表现得如此之好令人沮丧的原因，”英国利物浦大学的物理学家 Tara Shears 说。“在第二次运行中，我们希望看到裂缝。”
这些裂缝可能不仅以从未见过的粒子的形式出现，也可能以已知粒子行为方式的更细微的差异形式出现。例如，LHCb 实验（LHC beauty，简称 LHCb）监测一种名为 B_s（发音为 B-sub-s）介子的特定粒子衰变为另一种粒子——μ 子及其反物质对应物——反 μ 子的频率。“每百万次衰变中会发生三次，”LHCb 项目成员 Shears 说。“如果存在像超对称性这样的新物理学，那么这些新粒子就可以参与这种衰变；它们可以加速衰变，让你更频繁地看到它，或者减慢衰变速度。在[第一次]运行中，我们进行了一次测量，不幸的是，它与标准模型一致，但我们还没有精确地测量它，所以仍然有很大的[偏差]空间。”
人们对 LHC 的第二次运行寄予厚望，因为其现在将探测的能量水平能够产生该理论的许多版本预期的超对称粒子的质量。“你正好处在应该存在超对称粒子的能量水平上，”Heinemann 说。“暗物质粒子也应该大致在这个能量尺度上——不一定非得是，但很有可能就是。”
当然，LHC 的下一次运行中出现的一切也可能继续遵守标准模型的所有规则——因此，对于是什么导致了暗物质或反物质不对称性，我们仍然一无所知。“我们希望通过发现一些意想不到的东西，从而在我们的理解中获得量子飞跃——这就是我们为之奋斗的目标，”Shears 说。“但即使这种情况没有发生，我们也将更多地了解宇宙，因为我们将在我们以前从未能够研究过的新领域进行探索。”