十年前，粒子物理学家让世界兴奋不已。2012年7月4日，6000名研究人员在欧洲粒子物理实验室CERN与世界上最大的原子粉碎机大型强子对撞机（LHC）合作，宣布他们发现了希格斯玻色子，这是一个巨大的，稍纵即逝的粒子，是他们晦涩地解释其他基本粒子如何获得质量的关键。这一发现实现了45年前的预测，完成了一个称为标准模型的理论，并将物理学家推向了聚光灯下。

然后是漫长的宿醉。在2010年27公里长的环形LHC开始获取数据之前，物理学家们担心它可能会产生希格斯粒子，而没有别的，没有留下任何线索，不知道标准模型之外还有什么。到目前为止，这个噩梦般的场景正在成真。“这有点令人失望，”加州理工学院（California Institute of Technology）的物理学家巴里·巴里什（Barry Barish）说。“我以为我们会发现超对称性，”这是标准模型的主要扩展。

现在绝望还为时过早，许多物理学家说。经过3年的升级，大型强子对撞机现在正在为五次计划运行中的第三次通电，一些新粒子可能会在每秒产生的数十亿次质子 - 质子碰撞中出现。事实上，大型强子对撞机应该再运行16年，随着进一步的升级，收集的数据应该是它已经拥有的16倍。所有这些数据都可能揭示出新粒子和现象的微妙迹象。

尽管如此，一些研究人员表示，这些文字是针对对撞机物理学的。“如果他们没有发现任何东西，这个领域就死了，”芝加哥大学的物理学家Juan Collar说，他在较小的实验中寻找暗物质。伦敦国王学院（King's College London）的理论家约翰·埃利斯（John Ellis）表示，突然突破的希望已经让位于对发现的长期而不确定的磨难的前景。“这就像拔牙一样，不像牙齿脱落。

自1970年代以来，物理学家们一直被锁定在与标准模型的摔跤比赛中。它认为普通物质由称为上夸克和下夸克的轻质粒子组成 - 它们三键合以产生质子和中子 - 以及称为电子中微子的电子和羽量级粒子。两组较重的粒子潜伏在真空中，可以在粒子碰撞中被炸成短暂的存在。所有这些都通过交换其他粒子相互作用：光子传递电磁力，胶子携带结合夸克的强力，而大质量的W和Z玻色子携带弱力。

标准模型描述了迄今为止科学家在粒子对撞机上看到的一切。然而，它不可能是自然的终极理论。它省略了重力，也不包括神秘的、看不见的暗物质，暗物质似乎比宇宙中的普通物质多六比一。

大型强子对撞机本应打破这一僵局。在其环中，以相反方向循环的质子以几乎七倍于先前对撞机的能量撞击在一起，使LHC能够产生质量太大而无法在其他地方制造的粒子。十年前，许多物理学家设想迅速发现奇迹，包括新的携带力的粒子，甚至是迷你黑洞。“一个人会淹没在超对称粒子中，”德国实验室DESY粒子物理学主任Beate Heinemann回忆道。物理学家预测，找到希格斯粒子需要更长的时间。

相反，希格斯粒子在相对较短的3年内出现——部分原因是它的质量比许多物理学家预期的要小一些，大约是质子的133倍，这使得它更容易产生。在那次不朽的发现10年后，没有其他新粒子出现。

这种匮乏破坏了物理学家所珍视的两个想法。一种称为自然性的概念表明，希格斯粒子的低质量或多或少地保证了大型强子对撞机掌握范围内新粒子的存在。根据量子力学，任何“虚拟”潜伏在真空中的粒子都会与真实的粒子相互作用并影响它们的性质。这正是虚拟希格斯玻色子如何赋予其他粒子质量的方式。

然而，这种物理学是双向的。希格斯玻色子的质量应该被真空中的其他标准模型粒子急剧向上拉动 - 特别是顶夸克，这是上夸克的较重版本，重量是质子的184倍。这不会发生，因此理论家们推断，真空中必须存在至少一个具有相似质量和正确性质的新粒子 - 特别是不同的自旋 - 才能“自然地”抵消顶夸克的影响。

被称为超对称的理论概念将提供这样的粒子。对于每个已知的标准模型粒子，它假设一个具有不同自旋的较重的伙伴。潜伏在真空中的这些伙伴不仅会阻止希格斯的质量逃跑，而且还有助于解释希格斯场是如何形成的，希格斯场像一个不可熄灭的电场一样弥漫在真空中。超对称粒子甚至可能解释暗物质。

但是，与那些被期望的粒子不同，过去十年中出现的东西是诱人的异常现象 - 观测和标准模型预测之间的微小差异 - 物理学家将在未来3年内探索这些异常。例如，在2017年，物理学家与LHCb（LHC提供的四个大型粒子探测器之一）合作，发现B介子，即含有重底夸克的粒子，比衰变到称为μ介子和反μ子的粒子更频繁。埃利斯说，标准模型说这两个比率应该是相同的，这种差异可能是超对称伙伴的暗示。

同样，其他地方的实验表明，μ介子可能比标准模型预测的更具磁性（Science，2021年4月9日，第113页）。埃利斯说，这种异常现象可以用称为瘦夸克的奇异粒子的存在来解释，这些粒子可能已经隐藏在LHC的输出中未被发现。

希格斯粒子本身提供了其他探索途径，因为其观测到的和预测的属性之间的任何差异都将标志着新的物理学。例如，在2020年8月，与LHC最大的两个探测器ATLAS和CMS合作的物理学家团队宣布，两者都发现希格斯粒子衰变成μ介子和反μ子。如果这种难以看到的衰变速率与预测不同，那么偏差可能指向隐藏在真空中的新粒子，费米国家加速器实验室的理论家Marcela Carena说。

然而，这些搜索可能不会产生戏剧性的“尤里卡！”时刻。“人们正在转向对微妙效应进行非常精确的测量，”Heinemann说。不过，卡雷纳说，“我非常怀疑，在20年后，我会说，'哦，小伙子，在希格斯发现之后，我们没有学到任何新东西。

其他人对LHC实验者的机会不那么乐观。“他们面对着沙漠，他们不知道它有多宽，”明尼苏达大学双城分校的物理学家马文·马沙克（Marvin Marshak）说，他使用其他设施研究中微子。即使是乐观主义者也说，如果大型强子对撞机没有发现任何新东西，那么说服世界各国政府建造下一个更大，更昂贵的对撞机以保持该领域的运转将变得更加困难。

就目前而言，大型强子对撞机的许多物理学家只是兴奋地回到粉碎质子。在过去的3年中，科学家们升级了探测器，并重新设计了为对撞机供电的较低能量加速器。大型强子对撞机现在应该以更恒定的碰撞速率运行，有效地将数据流增加多达50%，CERN加速器和光束总监Mike Lamont说。

加速器物理学家几个月来一直在缓慢调整LHC的光束，Lamont说。只有当光束足够稳定时，它们才会打开探测器并恢复获取数据。拉蒙特说，这些开关应该在7月5日，即希格斯发现宣布后的10年零1天翻转。“进入一些持续的跑步状态是件好事。

更多粒子物理学新闻，请上科企岛