能量更高的对撞机,意味着什么?

大型对撞机其实可视为特殊的粒子加速器。加速器并不是什么稀奇东西,电视和电脑显示器的显像管,从原理来说,就是小型电子加速器。但像LHC 这类高能粒子加速器,世界仅此一台。

在加速器里,科学家将(带电)粒子加速到非常快(最快可接近光速,但无法超越光速),使其具非常高能量,然后轰击到目标粒子。

两颗粒子碰撞后,会碰出新粒子,就是科学家要观测的对象。过程好比把两个核桃相撞,外壳破掉后,得到里面的核桃仁。

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自1931 年第一台圆形回旋加速器发明出来,这种装置已发生翻天覆地的变化。第一台圆形回旋加速器只有巴掌大,直径约11 公分,造价25 美元,从设计到建成不到一年。而LHC 长27 公里,造价超过50 亿瑞士法郎,从提出设想到成功实验,历时25 年。

变化如此大的背后,都是为了更高的碰撞能量。对粒子物理实验而言,如果想看到更小的物质,就必须用更快速度碰撞,以产生更高的能量。第一台圆形回旋加速器的能量只有8 万电子伏特,LHC 的碰撞能量是以兆计算,且还经过多次升级,让粒子物理实验不断突破。

2011 年底,科学家发现希格斯玻色子存在的迹象,但还无法完全确定。2012 年4 月,为了精准撷取希格斯玻色子,欧洲核子研究中心把LHC 的最高能量,从7 兆电子伏特升到8 兆电子伏特。

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撷取「上帝粒子」后,欧洲核子研究中心又多次升级LHC。2015 年5 月,将LHC 对撞能量升到13 兆电子伏特。

2018 年12 月再次停机升级,2021 年5 月重启后,对撞能量将达14 兆电子伏特。

2025 年最后一次停机,直至2027 年升级为「高亮度LHC」。虽然对撞能量没有提升,但能产生更多碰撞,积累资料将超过LHC 10 倍。

尽管LHC 多次升级,但对粒子物理来说,想更上一层楼,就得建造更大的实验机器。

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