主题：探索量子宇宙——粒子对撞机的任务（1） -- 邪恶本质

概述：探索量子宇宙

从发现电子开始，粒子物理学家们成功地冒险深入到原子内部的未知世界中。他们发现了一种从未被期望或者预言——即使是爱因斯坦也没有——的结构和简单性。他们的发现重新定义了人类关于物质世界的概念，把宇宙中最小的单元和最大的、以及宇宙诞生的最早时刻联系了起来。

A 太电子伏尺度之谜

相关问题：

还有未发现的自然规律——新的对称性，新的物理定律吗？

如何解开暗能量之谜？

存在额外的空间维度吗？

反物质发生了什么？

在今后十年里面，CERN的大型强子对撞机(LHC)上的实验将突破进入太电子伏尺度——一个处于目前的粒子加速器极限、物理学家相信他们能够在此找到当代粒子物理学核心问题答案的能量区间。

LHC将把太电子伏尺度暴露在直接的实验研究之下。目前的实验暗示它隐藏了一种全新的物质形态——给予粒子质量的希格斯玻色子。除此之外，物理学家相信太电子尺度将持有这些新奇的现象的证据——暗物质、额外的空间维度，以及基本超对称粒子的完整名单。

第一个目标是希格斯粒子。在过去的几十年，理论的突破和精确的实验导致了粒子物理标准模型的建立，该模型预言宇宙中存在一个无所不在的能量场，接触着宇宙里的一切事物。它就像一种隐形的量子液体，充满了真空，让速度减慢，给予物质质量。没有希格斯场的话，所有的物质都将粉碎，原子将以光速彼此远离。

到目前为止，没人看到过希格斯场。为了探测它，粒子加速器将首先制造出希格斯粒子，然后测量它们的性质。LHC被设计为拥有足够高的能量，以制造出希格斯粒子并且启动探索过程。

为了研究希格斯如何作用，实验必须在没有依据任何理论假设的情况下精确测量希格斯粒子的性质。这些精确的模型无关的实验是直线对撞机物理的特征，在LHC的复杂实验环境下不可能实现。直线对撞机能够检验在LHC上发现的希格斯粒子是否是唯一的希格斯粒子。它是否精确的具有合适性质以赋予基本粒子质量？或者它包含有预示进一步的发现的其它新粒子的混合物？直线对撞机将能够在百分之一的精度水平上干净且精确的测量希格斯粒子的关键性质。

然而，希格斯粒子的发现将引发一个新的令人困惑的问题：根据我们目前的理解，希格斯粒子应该具有超过太电子伏特尺度一万亿倍（a trillion times）的质量。尽管希格斯粒子给予了太电子伏尺度的粒子以质量，但它本身的质量应该大得多。为什么希格斯粒子的质量会落在太电子伏尺度？

多年以来，理论物理学家们试图解开这个谜团，他们想出了包括超对称、额外维和新的粒子相互作用的多种可能性。如果有的话，哪一种理论是正确的？挑选出正确理论是LHC和直线对撞机的任务。LHC有足够的能量去全面研究太电子尺度的图景。然后，直线对撞机能够缩小范围以把理论彼此分开。

例如，超对称和额外维度的理论预言了和希格斯粒子有非常近的亲缘关系的新粒子。其中一些将很难在LHC上探测到或者鉴别出来，也很难将它们同希格斯粒子区分开。直线对撞机的实验则具有让物理学家们鉴别这些粒子并精确找出它们如何与普通物质相互联系的独特能力。

太电子伏尺度可能包含了大部分粒子物理学中最基本问题的答案。宇宙中物质相对反物质的绝对优势依然是一个谜，但是部分答案可能存在于某种未知的相互作用，该相互作用对待物质和反物质稍有不同——也就是说，存在于物理学家称为CP破坏的物质-反物质不对称性的未知源头中。在LHC，很难得到太电子伏尺度物理的CP信息。然而，在直线对撞机上的实验则能够发现并测量物质-反物质不对称性的新起源。

研究太电子伏尺度将让物理学家深入新的科学领域，同时复杂的理论框架将面对实验数据。从理论和实验数据的冲突中，将会诞生一幅关于量子宇宙的深刻改变的图像。

《科学》杂志的125个问题。第一个问题：宇宙由什么构成？

CERN，ATLAS的探测器的安装。