物理学家们期待着大型强子对撞机的重启能带来新的发现

世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机(Large Hadron Collider)本月开始第二次运行，其威力甚至更大。2012年，大型强子对撞机的首次运行取得了希格斯玻色子的突破性发现。在2013年初关闭进行计划维护后，大型强子对撞机现在准备在未来三年内探索粒子物理学的新领域。

“最令人兴奋的是，我们将在接下来的运行中探索一个新的能源规模。加州大学圣克鲁斯分校的物理学教授霍华德·哈伯说:“这是一个机会，让我们看到在这些高能量下大自然是什么样子。”

除了更精确地研究希格斯玻色子外，物理学家们还将寻找超越“标准模型”的新物理学证据。“标准模型”描述的是所有已知的亚原子粒子。一些理论，如超对称性，预测了在LHC的高能碰撞中应该出现的外来粒子的存在。另一种可能性是在我们熟悉的四维时空之外发现额外的维度。物理学家们还可以发现构成宇宙大部分质量的神秘暗物质。暗物质候选者经常出现在标准模型之外的物理学理论中，包括超对称性和额外维度。

物理学教授Abe Seiden说:“在我看来，暗物质是目前最有趣的缺失元素，能量的下一步可能会提供找到它所需要的东西。”“当然，我们可能会发现一些没人想过的东西。”

世界领袖

加州大学圣克鲁斯分校的物理学家们从一开始就站在美国参与大型强子对撞机研究的前沿。圣克鲁斯粒子物理研究所(SCIPP)被公认为世界领先的定制电子和硅传感器的开发最先进的粒子探测系统,和SCIPP物理学家一直在阿特拉斯,最大的两个通用强子对撞机的探测器,自1994年以来。Seiden领导了一个来自11个美国机构的团队，为ATLAS开发了一种新的探测器组件，称为可插入b层(Insertable b Layer, IBL)。安装于2014年春季的IBL将在LHC的第二次运行期间帮助标记和识别粒子。

ATLAS拥有多层设备来跟踪和测量由LHC中高能质子束碰撞产生的亚原子粒子的喷射。IBL现在是最内层，比以往任何时候都更靠近碰撞处放置传感器。塞登说:“这将是粒子撞击的第一个物体，因此它为确定粒子的来源提供了关键的测量数据。”

加州大学圣迭戈分校的物理学家杰森·尼尔森补充说:“IBL使我们能够以更高的精度观察粒子的出现，使我们能够更敏锐地发现新物理现象的证据。”

Seiden目前正在管理美国的研究和开发工作，计划在2020年进行大规模的地图集升级。与此同时，位于瑞士日内瓦的欧洲粒子物理实验室(CERN)的SCIPP物理学家们一直在夜以继日地工作，为ATLAS 2的运行做准备。“他们是那些在半夜接到电话的人。阿特拉斯为了升级被拆解了两年，所以他们一直致力于新组件的整合和调试。”尼尔森说。

更高的能源

LHC最引人注目的变化是，碰撞的能量几乎翻了一番，2015年达到13 TeV(特拉电子伏特)，而2012年为8 TeV。光束的“光度”或强度也会更高，每秒产生更多的碰撞。增加的能量和光度的组合将意味着产生的数据量的巨大增加，从而为分析提供更多的统计能力。此外，高能量的碰撞可能产生以前从未见过的新粒子和现象。

对于加州大学圣克鲁兹分校的物理学家斯特凡诺·普罗富莫来说，发现额外维度的潜力尤其令人兴奋，他的理论论文为在大型强子对撞机上寻找额外维度和暗物质奠定了基础。一个暗物质候选者从一个相对简单的额外维度模型中自然地出现。普罗富莫和他的同事分析了这个模型，考虑了新发现的希格斯玻色子的质量和宇宙中暗物质的丰度的宇宙学测量。他们的计算结果预测了暗物质粒子的质量以及如何在大型强子对撞机上探测到它。

“大型强子对撞机不会直接看到暗物质。证据就是大量的能量缺失和两股具有特征的粒子喷流，”普罗夫莫说。如果这个额外维度的模型是正确的，暗物质粒子将不会在第一次运行中被发现，而是应该在运行2的更高能量下被探测到，他指出。

“如果大自然是这样的，我们一定会在《奔跑2》的结尾看到一些东西。这让我坐立不安。”普罗夫莫说。

超对称性、额外维度和其他各种各样的想法已经被开发出来，以解决标准模型没有回答的基本问题。Haber说:“我们正在拼命地寻找一些新的现象，这些现象将表明对标准模型的改进。”“我研究过超对称性，所以如果结果证明是正确的，那就太好了。但只要给我任何超出标准模型的物理证据，我们就能找出它是什么。”

希格斯玻色子

据哈伯说，LHC第二次运行的另一个重要任务是更多地了解希格斯玻色子，他说希格斯玻色子不同于任何其他基本粒子。“第一次运行给了我们一个粗糙的图片它是什么和它的属性,但我们想描述更加准确,”哈伯说,注意的是,经由大型强子对撞机能够产生十倍希格斯玻色子就像在第一次运行。

他说:“在第一次运行中，我们仅仅触及了表面，而大型强子对撞机的大部分地平线就在我们面前。”“有些愤世嫉俗的人说希格斯玻色子是这个故事的结局——没有任何新的物理学迹象，所以他们已经感到沮丧了。我的回答是，让我休息一下——迄今为止，大型强子对撞机只运行了一半的设计能量和十分之一的设计亮度。我们才刚刚开始。”

随着LHC的第二次运行，第一束质子束将于3月23日通过对撞机27公里长的超导磁体环。第一次碰撞预计将在5月底或6月初发生。

LHC的国际合作包括来自113个国家的约1万名科学家，其中包括来自96个美国机构的1700名科学家、学生和技术人员。在加州大学圣克鲁斯分校，该项目涉及大约10名教师和资深科学家、12名博士后研究人员和研究生，以及大约10名本科生，他们致力于SCIPP各个方面的贡献。

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