本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Takeko，头图来自：CERN
大型强子对撞机（LHC）是世界上最强大的粒子对撞机。10年前，LHC不负众望发现了宇宙中最独特的粒子——希格斯玻色子（详见《整整10年前，我们发现了宇宙中独一无二的场》），标志着粒子物理学的标准模型终于变得完整。
但这并不意味着粒子物理学就走到了尽头。事实上，在希格斯玻色子发现之后，LHC一直在不停运行和升级，继续为物理学家带来了大量有关粒子世界的有趣信息。它也正在努力开启粒子物理学的全新时代。
一、对希格斯玻色子最全面的研究
在宣布发现希格斯玻色子整整10年后，ATLAS和CMS合作组近期在《自然》上报道了他们对这种独特粒子特性的最全面的研究结果。
ATLAS和CMS探测器照片。（图／CERN）
为了挖掘LHC数据在研究希格斯玻色子方面的全部潜力，两个研究团队将希格斯玻色子的产生和它衰变成其他粒子的众多互补过程结合分析。他们使用的每个数据集包括了超过一万万亿次质子-质子对撞，以及约800万个希格斯玻色子，这比发现这个粒子时的数量多了30倍。
换句话说，他们结合了数量空前、多种多样的希格斯玻色子的产生和衰变过程，从而获得了迄今为止对其速率以及粒子相互作用强度的最精确和最详细的测量，精准地勾勒出了希格斯玻色子的肖像。
所有的测量结果都与标准模型的预测非常一致。除此之外，这种粒子的特性还表明，它正日益成为寻找新的未知现象的有力手段。
最新分析提供了关于希格斯玻色子与自身相互作用的严格约束，以及关于超越标准模型的新的未知现象，比如关于希格斯玻色子衰变为可能构成暗物质的不可见粒子的约束。
二、粒子动物园2.0
LHC实际上包含了4项主要的大型实验，分别是ATLAS、CMS、LHCb（LHC底夸克实验）和ALICE（大型粒子对撞实验）。
ATLAS和CMS是物理学家口中的“通用”探测器，它们在希格斯玻色子的探索历程中是绝对无可争议的大明星，但其他实验其实同样迷人。比如，LHCb是一台专门的探测器，主要用于研究被称为底夸克的粒子。
夸克是基本粒子，有6种味，分别被称为上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、顶（t）和底（b）。它们通常以两个或三个的形式结合在一起形成强子，比如构成原子核的质子和中子。然而，更罕见的是，它们也可以以四个或五个的形式结合成奇异强子。
近期，LHCb合作组又观测到了三种前所未见的奇异粒子，包括一种新的五夸克，和有史以来第一对四夸克，其中还包含一种新的四夸克类型。
新发现的五夸克艺术家畅想图。（图／CERN）
在这次新发现的奇异强子中，第一种是在分析带负电的B介子的衰变中观察到的，由一个粲夸克和一个反粲夸克以及一个上、下和奇夸克构成的五夸克。它是第一个被发现包含一个奇夸克的五夸克。这一发现具有高达15个标准差的统计学意义。
新发现的两个四夸克艺术家畅想图。（图／CERN）
第二种是双电荷四夸克。它是一种由一个粲夸克、一个反奇夸克以及一个上夸克和一个反下夸克构成的开粲四夸克。“开粲”指的是包含粲夸克而不包含反粲夸克的粒子。
在对带正电的和中性B介子的衰变进行联合分析时，这种四夸克与它的中性对应粒子一同被发现。两者分别以6.5（双电荷粒子）和8（中性粒子）个标准差的统计学意义被观测到，这代表着一对四夸克的首次发现。
迄今为止，在LHC发现的66种新强子中，有59种要归功于LHCb。科学家进行的分析越多，发现的奇异强子的种类就越多。这非常像20世纪50年代的粒子物理学，当时，一个强子的“粒子动物园”逐渐被发现，并最终为我们带来了传统强子的夸克模型。
LHC发现的新粒子列表（数据／Patrick Koppenburg）
如今，团队也正在创造“粒子动物园2.0”，它们在帮助物理学家更好地理解夸克如何结合在一起，成为复合粒子。
目前，现有的一些理论模型将奇异强子描述为紧密结合的夸克的单一单元，而其他模型则将它们设想为松散地结合在分子状结构中的一对标准强子。找到新种类的四夸克和五夸克并测量它们的属性，将有助于理论家开发一个统一的奇异强子模型。
三、“王者归来”
今年4月，在为期三年的“休息”升级后，LHC重新启动，开始为第三轮运行和数据收集做准备。就在几天前，它已经以创纪录的13.6万亿电子伏特的能量水平正式开启了第三轮数据的收集。
LHC。（图／CERN）
这台机器将在接下来的近4年间昼夜不停地运转，为物理学家带来海量质子对撞的新数据。研究人员的目标是为实验提供每秒16亿次的质子-质子对撞，同时，质子束将缩小到10微米以内从而提高对撞速率。
除了原先的4项主要实验外，第三轮运行还加入了一些更小型的全新实验，让我们更进一步了解标准模型和超越标准模型的新物理。
四、伟大的时刻
在希格斯玻色子发现之前，著名粒子理论学家尼马·阿尔卡尼-哈米德（Nima Arkani-Hamed）坚信希格斯玻色子一定会在LHC上被发现，他甚至愿意用一年的薪水和任何不相信的人打赌。
但在希格斯玻色子发现后，当他接受粒子物理学家哈里·克利夫（Harry Cliff）采访，再次谈起这台巨型机器和这一领域的未来时，他说到了一种“认知失调”。他表示，他始终认为，这是100年来物理学中最惊人的时期，但其他人可能会说，“太令人沮丧了，我们只看到了希格斯玻色子，并没有找到其他东西”。
“我的态度是，这是一个伟大的时刻。我们知道这个领域的发展轨迹出现了90度的大转弯。我认为这个90度的转变，成了我们百年来最深刻的地方。”
参考来源：
https://home.cern/news/news/physics/atlas-and-cms-release-results-most-comprehensive-studies-yet-higgs-bosons
https://home.web.cern.ch/news/news/physics/lhcb-discovers-three-new-exotic-particles
https://phys.org/news/2022-07-large-hadron-collider-revs-unprecedented.html
https://news.liverpool.ac.uk/2022/07/05/large-hadron-collider-takes-first-data-in-record-breaking-run/
https://www.caltech.edu/about/news/what-comes-after-higgs
[英] 哈里·克利夫，如何从头开始做一个苹果派，中信出版·鹦鹉螺，2022年7月
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Takeko