当物理学家被迫用一个词来回答我们为什么要建造大型强子对撞机（LHC）这个问题时，我们通常会回答“希格斯”。希格斯粒子——我们当前物质理论中最后一块尚未被发现的拼图——是最引人注目的焦点。但完整的故事要有趣得多。新的对撞机提供了粒子物理学史上任何仪器能力的最大飞跃。我们不知道它会发现什么，但我们所做的发现和遇到的新难题肯定会改变粒子物理学的面貌，并在邻近的科学领域产生反响。
在这个新世界中，我们期望了解是什么区分了自然界的两种力——电磁力和弱相互作用——这对我们日常世界的概念具有广泛的影响。我们将对简单而深刻的问题获得新的理解：为什么会有原子？为什么会有化学？是什么使稳定的结构成为可能？
寻找希格斯粒子是关键的一步，但这仅仅是第一步。在此之后，还有一些现象可能会阐明为什么引力比自然界的其他力弱得多，并可能揭示充满宇宙的未知暗物质是什么。更深层的是，洞察不同形式的物质、表面上不同的粒子类别的统一性以及时空本质的前景。所有正在讨论的问题似乎都相互关联，并且与最初促使预测希格斯粒子的问题纠缠在一起。大型强子对撞机将帮助我们完善这些问题，并将我们引上回答这些问题的道路。
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手头的物质
物理学家们称之为粒子物理学的“标准模型”（表明它仍然是一项正在进行中的工作）可以解释许多关于已知世界的事物。标准模型的主要要素在 1970 年代和 1980 年代令人兴奋的日子里逐渐形成，当时一系列具有里程碑意义的实验发现与新兴的理论思想进行了富有成效的对话。许多粒子物理学家将过去的 15 年视为一个整合时期，与早期几十年的动荡形成对比。然而，即使标准模型获得了越来越多的实验支持，越来越多的现象仍在其范围之外，新的理论思想扩展了我们对更丰富、更全面的世界观的构想。总而言之，实验和理论的持续进步预示着未来十年将充满活力。也许我们回顾过去会发现，革命一直在酝酿之中。
我们目前对物质的理解包括两个主要的粒子类别：夸克和轻子，以及四种已知的基本力中的三种：电磁力、强相互作用和弱相互作用。引力暂时被放在一边。组成质子和中子的夸克产生并感受到所有三种力。轻子，其中最著名的是电子，对强力免疫。区分这两个类别的属性类似于电荷，称为色荷。（这个名称是比喻性的；它与普通颜色无关。）夸克具有色荷，而轻子没有。
标准模型的指导原则是其方程是对称的。正如一个球体无论您从哪个角度观察看起来都一样，即使您更改定义方程的角度，方程也保持不变。此外，即使视角在空间和时间的不同点发生不同程度的偏移，方程也保持不变。
确保几何对象的对称性对其形状施加了非常严格的约束。一个带有凸起的球体不再从每个角度看起来都一样。同样，方程的对称性对其施加了非常严格的约束。这些对称性产生了由称为玻色子的特殊粒子携带的力[参见 Gerard ’t Hooft 的“基本粒子之间力的规范理论”；《大众科学》，1980 年 6 月；以及 Chris Quigg 的“基本粒子和力”；《大众科学》，1985 年 4 月]。
通过这种方式，标准模型颠倒了路易斯·沙利文的建筑格言：不是“形式追随功能”，而是功能追随形式。也就是说，理论的形式（以定义它的方程的对称性表示）决定了理论描述的功能——粒子之间的相互作用。例如，强核力源于这样的要求：描述夸克的方程必须相同，无论人们如何选择定义夸克的色荷（即使这种约定是在空间和时间的每个点独立设置的）。强力由八种称为胶子的粒子携带。另外两种力，电磁力和弱核力，属于“电弱”力的范畴，并且基于不同的对称性。电弱力由四种粒子携带：光子、Z 玻色子、W+ 玻色子和 W– 玻色子。
打破镜像
电弱力理论是由谢尔顿·格拉肖、史蒂文·温伯格和阿卜杜斯·萨拉姆提出的，他们因其努力而获得了 1979 年诺贝尔物理学奖。弱力参与放射性 β 衰变，但并非作用于所有夸克和轻子。这些粒子中的每一个都以镜像变体形式出现，称为左手性和右手性，而 β 衰变力仅作用于左手性粒子——这是一个惊人的事实，在其发现 50 年后仍未得到解释。左手性粒子之间的族对称性有助于定义电弱理论。
在该理论构建的初始阶段，它有两个主要的缺点。首先，它预见了四种长程力粒子——称为规范玻色子——而自然界只有一种：光子。其他三种的射程很短，小于约 10–17 米，小于质子半径的 1%。根据海森堡不确定性原理，这种有限的射程意味着力粒子必须具有接近 1000 亿电子伏特（GeV）的质量。第二个缺点是族对称性不允许夸克和轻子具有质量，但这些粒子确实具有质量。
摆脱这种不令人满意的情况的方法是认识到自然规律的对称性不一定反映在这些规律的结果中。物理学家说对称性被“打破”了。所需的理论装置是由物理学家彼得·希格斯、罗伯特·布鲁特、弗朗索瓦·恩格勒特和其他人在 1960 年代中期提出的。灵感来自一个看似无关的现象：超导性，其中某些材料在低温下以零电阻导电。尽管电磁学定律本身是对称的，但电磁学在超导材料中的行为却不是。光子在超导体中获得质量，从而限制了磁场对材料的侵入。
事实证明，这种现象是电弱理论的完美原型。如果空间充满了影响弱相互作用而不是电磁力的“超导体”，它会赋予 W 和 Z 玻色子质量并限制弱相互作用的范围。这种超导体由称为希格斯玻色子的粒子组成。夸克和轻子也通过与希格斯玻色子的相互作用获得质量[参见马丁努斯·韦尔特曼的“希格斯玻色子”；《大众科学》，1986 年 11 月]。通过以这种方式获得质量，而不是内在地拥有质量，这些粒子仍然符合弱力的对称性要求。
现代电弱理论（包含希格斯机制）非常精确地解释了广泛的实验结果。事实上，夸克和轻子成分通过规范玻色子相互作用的范式完全修订了我们对物质的理解，并指出了当粒子被赋予非常高的能量时，强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用融合成一体的可能性。电弱理论是一项令人惊叹的概念成就，但它仍然是不完整的。它展示了夸克和轻子如何获得质量，但没有预测这些质量应该是多少。电弱理论对于希格斯玻色子本身的质量同样是不确定的：粒子的存在是必要的，但该理论并没有预测其质量。粒子物理学和宇宙学的许多突出问题都与电弱对称性究竟是如何被打破的问题有关。
标准模型讲述故事的地方
受到 1970 年代一系列有希望的观测结果的鼓舞，理论家们开始认真对待标准模型，并开始探索其局限性。1976 年末，伊利诺伊州巴塔维亚费米国家加速器实验室的本杰明·W·李、现任弗吉尼亚大学的哈里·B·萨克和我设计了一个思想实验，以研究电弱力在极高能量下的行为。我们想象了 W 玻色子、Z 玻色子和希格斯玻色子对之间的碰撞。这项练习可能看起来有点异想天开，因为在我们工作时，这些粒子中没有一个被观察到。但是，物理学家有义务通过考虑任何理论的含义来检验该理论，就好像其所有要素都是真实的一样。
我们注意到的是这些粒子产生的力之间微妙的相互作用。扩展到非常高的能量，我们的计算只有在希格斯玻色子的质量不太大的情况下才有意义——相当于小于一万亿电子伏特，即 1 TeV。如果希格斯玻色子轻于 1 TeV，则弱相互作用仍然微弱，并且该理论在所有能量下都能可靠地工作。如果希格斯玻色子重于 1 TeV，则弱相互作用在该能量尺度附近增强，并随之发生各种奇异的粒子过程。发现这种条件很有趣，因为电弱理论并没有直接预测希格斯玻色子的质量。这个质量阈值意味着，除其他外，当大型强子对撞机将思想实验变为现实时，将会发现一些新的东西——无论是希格斯玻色子还是其他新奇现象。
实验可能已经观察到希格斯玻色子的幕后影响。这种效应是不确定性原理的另一个结果，这意味着像希格斯玻色子这样的粒子可以存在的时间太短暂以至于无法直接观察到，但足够长以至于可以在粒子过程中留下微妙的痕迹。位于欧洲核子研究中心（CERN）的大型正负电子对撞机（LHC隧道的前身）探测到了这种无形之手的作用。精确测量结果与理论的比较强烈暗示希格斯玻色子存在，并且质量小于约 192 GeV。
正如要求的那样，希格斯玻色子的质量要小于 1 TeV，这提出了一个有趣的谜题。在量子理论中，质量等量不是一劳永逸地设定的，而是会受到量子效应的修正。正如希格斯玻色子可以对其他粒子施加幕后影响一样，其他粒子也可以对希格斯玻色子做同样的事情。这些粒子具有一系列能量，它们的净效应取决于标准模型在何处让位于更深层次的理论。如果模型一直保持到 1015 GeV，强相互作用和电弱相互作用似乎在那里统一，那么具有真正巨大能量的粒子会作用于希格斯玻色子并赋予其相当高的质量。那么，为什么希格斯玻色子的质量似乎不超过 1 TeV 呢？
这种张力被称为等级问题。一种解决方案将是大量数字的添加和减法之间的不稳定平衡，代表不同粒子的竞争贡献。物理学家已经学会对并非由更深层次的原则强制执行的极其精确的抵消持怀疑态度。因此，与我的许多同事一样，我认为很可能在大型强子对撞机上会发现希格斯玻色子和其他新现象。
Supertechnifragilisticexpialidocious
理论家们探索了许多新现象可以解决等级问题的方法。一个主要的竞争者称为超对称性，它假设每个粒子都有一个尚未被看到的超对称伙伴，该伙伴在自旋方面有所不同[参见 H. E. Haber 和 G. L. Kane 的“自然界是超对称的吗？”；《大众科学》，1986 年 6 月]。如果自然界是完全超对称的，则粒子和超对称伙伴的质量将相同，并且它们对希格斯玻色子的影响将完全抵消。在那种情况下，物理学家现在应该已经看到了超对称伙伴。我们还没有看到，因此如果超对称性存在，它一定是破缺的对称性。如果超对称伙伴的质量小于约 1 TeV，那么对希格斯玻色子的净影响仍然可以接受地小，这将使它们在大型强子对撞机的探测范围内。
另一种选择称为技术色，它假设希格斯玻色子并非真正的基本粒子，而是由尚未观察到的成分构成。（术语“技术色”指的是定义强力的色荷的推广。）如果是这样，希格斯玻色子就不是基本的。能量约为 1 TeV（与将希格斯玻色子结合在一起的力相关的能量）的碰撞将使我们能够观察其内部，从而揭示其复合性质。与超对称性一样，技术色意味着大型强子对撞机将释放出名副其实的奇异粒子动物园。
第三个极具挑衅性的想法是，等级问题在仔细检查后会消失，因为空间除了我们周围移动的三个维度之外还有额外的维度。额外的维度可能会修改力强度随能量变化的方式，并最终融合在一起。那么，这种融合——以及新物理学的开始——可能不会发生在 1012 TeV，而可能发生在与额外维度大小相关的低得多的能量下，也许只有几 TeV。如果是这样，大型强子对撞机可能会让我们窥探这些额外的维度 [参见尼玛·阿卡尼-哈米德、萨瓦斯·迪莫波洛斯和乔治·德瓦利的“宇宙中看不见的维度”；《大众科学》，2000 年 8 月]。
另一项证据指向 TeV 尺度上的新现象。构成宇宙物质内容主体的暗物质似乎是一种新型粒子[参见大卫·B·克莱恩的“寻找暗物质”；《大众科学》，2003 年 3 月]。如果这种粒子以弱力的强度相互作用，那么只要其质量介于约 100 GeV 和 1 TeV 之间，大爆炸就会产生足够数量的这种粒子。无论是什么解决了等级问题，都可能会为暗物质粒子提出一个候选者。
地平线上的革命
开启 TeV 尺度的探索意味着进入实验物理学的新世界。对这个世界进行彻底的探索——我们将在其中理解电弱对称性破缺、等级问题和暗物质——是加速器实验的首要任务。这些目标是充分合理的，并且与我们的实验工具相匹配，大型强子对撞机将接替当前的“主力”，费米实验室的万亿电子伏特加速器（Tevatron）对撞机。这些答案不仅将使粒子物理学感到满意，还将加深我们对日常世界的理解。
但是，这些期望虽然很高，但仍然不是故事的结局。大型强子对撞机很可能会找到力完全统一的线索，或者粒子质量遵循合理模式的迹象。对新粒子的任何提出的解释都将对我们已经知道的粒子的稀有衰变产生影响。非常有可能的是，揭开电弱面纱将使这些问题更加突出，改变我们思考这些问题的方式，并激发未来的实验方向。
塞西尔·鲍威尔因发现称为 π 介子的粒子而获得了 1950 年诺贝尔物理学奖——物理学家汤川秀树在 1935 年提出 π 介子是为了解释核力——方法是在高山上将高灵敏度的照相乳胶暴露于宇宙射线。他后来回忆说：“当[乳胶]在布里斯托尔被回收和显影时，立即明显地看到一个全新的世界被揭示了……就好像突然间，我们闯入了一个围墙果园，在那里，受保护的树木茁壮成长，各种奇异的水果大量成熟。” 这就是我设想我们第一次看到 TeV 尺度时的情景。