互动科普

性能空前的加速器LHC

希格斯粒子为什么如此难以被探测到？

一般来说，粒子物理的实验都是在被称为“加速器”的实验设备上进行的。加速器是能够把诸如质子等粒子加速到接近光速，使它们碰撞，并对碰撞反应进行测量的设备。

粒子发生碰撞以后会产生各种各样的粒子。被加速的粒子携带的能量将用于生成不同于入射粒子的新粒子。而在特定条件下这些新粒子可能是以前从未观测到的。通过仔细分析这些反应，就有机会发现新的粒子。

根据能量守恒定律，碰撞后生成的粒子的能量总和不会大于碰撞前入射粒子被加速时携带的总能量。换句话说就是，碰撞前粒子被加速的能量决定了可能生成的粒子的能量上限。

相对论中著名的质能方程E=mc²告诉我们，物质的能量和质量是可以互相转换的。因此，用来度量能量的单位“eV”（电子伏特）也被人们用来表示粒子的质量。比如，质子的质量可以表示为约0.94GeV（吉电子伏特，吉代表10亿）。 顺便提及，如果用生活中常用的单位“千克”来度量，质子的质量大约是1.67×10^-27千克。

LHC的前身“LEP”（Large Electron-Positron Collider）和美国的“Tevatron”为什么在过去的实验中没有发现希格斯粒子？LEP等实验只能得到“希格斯粒子的质量不会低于114GeV”的结果。

为了能够探测质量更高的新粒子，必须进一步提升加速器的性能。这就是建设LHC的原因。

LHC坐落在瑞士日内瓦郊外，跨越法国边境。加速器呈巨大的环形，沿着地下100米深处挖掘出的环形隧道建造而成，周长达27千米。它能把质子加速到自然界的极限速度—光速（大约每秒30万千米）的99.999996％，然后让质子与质子发生对撞。

LHC有多个实验目标，如“寻找希格斯粒子”、“暗物质是什么”、“验证是否存在高维空间”等。LHC由欧洲、日本、美国等共同出资，2008年建造完成，2010年开始正式运行。人们期待着从LHC中能够撞出至今从未产生过的新粒子。

图：LHC全图

探测器的能力也是至关重要的因素

除了高性能的加速器之外，为了探测希格斯粒子，高性能的探测器也是不可或缺的。

在加速器实验中，粒子之间发生碰撞后会生成非常多的向四周飞散的新粒子。虽然我们期待的希格斯粒子也会生成，但麻烦的是，必须考虑到希格斯粒子非常地不稳定，一经生成就马上变成其他类型的粒子（假设希格斯粒子的质量为125GeV，它将会在10^-22秒左右衰变）。因此，想要直接观测到希格斯粒子是无法办到的。

然而，希格斯粒子衰变后形成的粒子是可以被探测器捕获的，从而可能逆向推测“可能生成了希格斯粒子”。理论上可以预言希格斯粒子衰变时会产生什么粒子（依然假设希格斯粒子的质量为125GeV，衰变将会有13种模式）。把生成的粒子全部探测出来，仔细分析数据，应该能够找到希格斯粒子存在的证据。对衰变产生的粒子的能量求和，就得到了衰变之前希格斯粒子的总能量。也就是说，能够测出希格斯粒子的质量。

要做到这点必须要有高性能的探测器。LHC上设置了两台能够发现希格斯粒子的探测器，即ATLAS和CMS。

（本文发表于《科学世界》2012年第4期）