再次启动的大型强子对撞机，能找到新物理学的迹象吗？

本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Elizabeth Gibney，原文标题：《三年改造后，大型强子对撞机再出发 |《自然》长文》，头图来自：视觉中国

在大型强子对撞机2018-2022年关闭期间，ALICE实验中的探测器进行了改造。

对新物理学的追寻再度开启。世界上最强大的粉碎高能粒子机器，大型强子对撞机（LHC），在关闭三年多后重新启动。在日内瓦附近的欧洲核子研究中心CERN，质子束再次在其27公里的环路中呼啸而过。7月，物理学家们启动了实验，观察粒子束的对撞。

插图：The Project Twins

在2009-2013年和2015-2018年的前两个阶段，LHC探索了现在已知的物理世界。所有这些工作——包括2012年希格斯玻色子的成功发现——再次确定了物理学家目前对塑造宇宙的粒子和力的最佳描述：标准模型。但是，科学家们筛选了以千兆计的高能对撞的碎片，还是没有找到任何令人惊讶的新粒子或其他完全未知的东西的证据。

这一次可能会有所不同。迄今为止，LHC的建造成本为92亿美元，其中包括最新的升级：第三版包含更多的数据、更好的探测器和寻找新物理的创新方法。更重要的是，科学家们会从一个诱人的反常结果清单（比上次运行开始时更多）开始，其中藏着寻找标准模型之外粒子的方向。

墨西哥普埃布拉功勋自治大学（BUAP）的粒子物理学家Isabel Pedraza说：“我们一开始就超级兴奋。……我确定第3轮能看到点好东西。”

更高的能量和更多的数据

在对其粒子加速器进行改造后，第三版LHC将以13.6万亿电子伏特（TeV）的能量碰撞质子——略高于第2次运行，后者达到13TeV。CERN束管操作负责人Rende Steerenberg表示，能量更高的撞击应该会增加对撞在高能区域产生粒子的可能性，一些理论认为这些区域可能存在新的物理现象。该机器的束管还将提供更致密的粒子束，从而增加对撞的可能性。这将使LHC能够更长时间地保持其峰值对撞率，最终使实验记录下与前两次运行总和那么多的数据。

为了应对粒子洪流，机器的检测器——即传感器层，用于捕获从对撞中喷出的粒子并测量它们的能量、动量和其他特性——已经升级，以提高它们的效率和精确度（见“数据大增”）。

Nik Spencer/Nature；来源：CERN

LHC 研究人员面临的一大挑战，一直是能够存储的对撞数据太少。这台机器中的粒子数每秒发生4000万次对撞事件，每次质子-质子对撞，或“事件”，都会喷出数百个粒子。“触发”系统必须筛出这些事件中最有意思的，丢掉大部分数据。例如，在CMS（LHC的四个主要实验之一）中，硬件中内置的触发系统根据对粒子能量等属性的评估，每秒粗略筛选出约10万个事件，然后软件挑选出约1000个事件进行完整重建以供分析。

有了更多数据，触发系统就必须对更多事件按性质分类。其中一项改进来自于最初为视频游戏设计的芯片的试验，称为GPU（图形处理单元）。与传统处理器相比，这些处理器可以更快地重建粒子历史，因此软件将能够更快地扫描以及每秒跨更多条件。这将使它有可能发现以前也许错过了的奇怪对撞事件。

特别是，LHCb实验改进了探测器设备，能仅使用软件来扫描事件以寻找有趣的物理现象。整个实验的改进意味着它在第三次运行中收集的数据应该是第二次运行中的四倍。伊雷娜·约里奥-居里实验室的物理学家、LHCb实验组成员Yasmine Amhis说，它“几乎是个全新的探测器”。

LHCb的“顶点定位器”放置在LHC的束管附近，用来观察短寿命粒子。来源：Maximilien Brice， Julien Marius Ordan/CERN

发现反常

ATLAS实验的物理学家Ludovico Pontecorvo说，第三次运行还将使物理学家们更加精确地测量已知粒子（例如希格斯玻色子）。仅此一项就可能产生与已知物理学相冲突的结果——例如，当更精确地测量它，让误差线缩小到足以使其处于标准模型预测之外的程度。

但物理学家们也想知道最近的一系列奇怪结果是否是真正的反常现象，这可能有助于填补对理解宇宙的一些空白。标准模型是不完整的：例如它无法解释暗物质等现象。在过去的两年里，与模型相矛盾但又不足以被当作明确差异的情形，已经出现了很多次（见“新物理学的迹象？”）。

Nik Spencer/Nature；来源：CERN

最近一次异常出自位于费米国家加速器实验室的Tevatron对撞机（关闭于2011年）。研究人员在过去十年中一直在研究Tevatron的CDF实验的数据。4月份时，他们报道W玻色子（一种携带与放射性衰变有关的弱核力的基本粒子）的质量显著高于标准模型的预测^[1]。

这与LHC的数据不符：ATLAS和LHCb的测量结果与CDF的数据不一致，尽管前者的数据不太精确。CMS的物理学家现在正在使用机器第二次运行的数据进行自己的测量。第3轮的数据可以提供明确的答案，尽管不能立刻提供，因为W玻色子的质量出了名的难以测量。

B介子乱局

LHC的数据还有其他反常情况的迹象。特别是近十年来，关于B介子奇怪行为的证据不断涌现。这些瞬态粒子会迅速衰变为其他粒子，之所以如此命名，是因为它们包含成对的基本粒子，其中包括“底（bottom）”夸克（或“美”夸克“beauty”quark，均为B开头——译注）。LHCb的分析表明，B介子衰变产生电子，往往比产生更重的电子近亲μ子的几率更高^[2]。英国利物浦大学的粒子物理学家、LHCb组织的成员Tara Shears 说，标准模型预测大自然不应该偏爱其中任何一个粒子。“μ子的产生的频率比电子少约15%，这可太奇怪了。”她说。

这个结果不同于标准模型的预测，显著性约为3 sigma，即与预期值相差3个标准差——这意味着随机噪声有千分之三的可能产生明显偏差。只有更多的数据才能确认这种影响究竟是真实的，还是统计上意外得之。Shears说，实验科学家可能误解了他们的数据或机器中的某些东西，但现在许多相关的LHCb探测器已被替换，下一阶段的数据收集应该可以提供交叉检查。“如果[反常现象]没了，我们会很受挫。但科学家的生活就是这样，这种事是会发生的。”

LHCb在其他涉及底夸克的衰变中看到了类似的细微差异，对这种异常现象提供了支持；日本和美国的对撞机实验也看到了这种奇怪结果的迹象。这类工作是 LHCb的专长：它的探测器旨在详细研究含有重夸克的粒子的衰变，从而使实验能够收集可能影响这些粒子行为的现象的间接线索。CMS和ATLAS是更通用的实验，但那里的实验人员现在正在检查他们是否能发现更多对反常现象敏感的事件，瑞士苏黎世大学的实验粒子物理学家、CMS组织成员Florencia Canelli说。

寻找轻子夸克

CMS和ATLAS还要做LHCb无法做到的事情：梳理对撞数据，直接寻找理论界认为可能导致尚未证实的反常现象的奇异粒子。其中一种这样的假设粒子被称为轻子夸克（leptoquark），因为它在高能状态下会呈现出两种截然不同粒子家族的特性——轻子，如电子和μ子，以及夸克（见“解码衰变”）。这种混合粒子来自于寻求将电磁、弱和强基本力结合为同一种力的理论，并且可以解释LHCb的结果。轻子夸克——或它的复杂版本——也符合另一个诱人的反常现象。去年，来自费米实验室的μ子g - 2实验的测量结果^[3]表明μ子的磁性比预期的要强。

Nik Spencer/Nature

在3月份于意大利拉蒂勒举行的Moriond粒子物理学会议上，CMS的研究人员展示了一项研究结果，该结果提出了超越标准模型的轻子的有趣线索。这种粒子会与轻子夸克发生相互作用，并被一些轻子夸克理论所预测。物理学家发现，所提出的轻子可能衰变成的粒子、底夸克和τ子（μ子的较重的近亲）略微过量，但这一发现的显著性仅为2.8 sigma。“这些都是非常令人兴奋的结果，因为LHCb也看到了类似的现象。”Pedraza说。CMS的物理学家在会议上还提出了其他新现象的线索：两种可能存在的粒子可能衰变为两个τ子 ，以及一种潜在的高能粒子可以通过理论上存在的但未经证实的衰变路径，变成独特的粒子级联，称为喷柱。

另一个有趣的结果来自ATLAS，俄勒冈大学尤金分校的Ismet Siral和他的同事在寻找假设的、重而长寿的带电粒子。在来自3年数据的数万亿次对撞中，他们发现了7个候选粒子，其能量约为1.4 TeV，大约是已知最重粒子能量的8倍^[4]。这些结果为3.3 sigma，候选粒子的身份仍然是个谜。“我们不知道这是不是真的，我们需要更多数据。这就是第三次运行的用武之地。”Siral说。

CERN86米长的Linac4加速器，为大型强子对撞机产生质子束。来源：Robert Hradil， Monika Majer/ProStudio22.ch/CERN

另一项LHC实验，ALICE，将探索它自己的惊人发现：铅离子对撞所产生的极端条件（在不做质子对撞实验时LHC对撞这些铅离子）可能会在其他情况中出现。ALICE旨在研究夸克-胶子等离子体，这是一种由重离子碰撞产生的高热致密的基本粒子汤，被认为存在于宇宙大爆炸刚刚发生之后。对前两次运行的分析发现，质子-质子对撞和质子-铅离子对撞中的粒子显示出了这种物质状态的一些特征，例如关联而非随机的路径。“这是一个极为有趣、出乎意料的现象。”CERN的ALICE副发言人Barbara Erazmus说。

与LHCb一样，ALICE也进行了重大升级，包括更新电子设备，从而为其提供更快的纯软件触发系统。该实验将探测等离子体的温度以及精确测量包含粲夸克和底夸克的粒子，由于其探测器的改进，这次将能够收集比前两次运行多100倍的事件。

机器学习助力搜索

第三次运行还将进行全新的实验。距离ATLAS半公里的FASER，将寻找轻的、参与弱相互作用的粒子，包括中微子和可以解释暗物质的新现象。（这些粒子无法被ATLAS发现，因为它们会依靠近LHC束管的轨迹飞出对撞区，逃过探测器）。与此同时，ATLAS和CMS实验现在已经改进了探测器，但在2026年的下一次长期关闭之前不会进行重大硬件升级。此时，LHC将进行大修以产生更集中的“高亮度”粒子束，这将持续到2029年（见“LHC时间表”）。这将让科学家在后续运行中收集到的对撞数据，比第一至第三次运行总和多10倍。目前，CMS和ATLAS已经拥有原型技术来帮助他们做好准备。

Nik Spencer/Nature；来源：CERN

除了收集更多事件外，Siral等物理学家还热衷于改变LHC实验寻找粒子的方式。到目前为止，LHC的大部分研究都涉及检验特定的预测（例如寻找物理学家期望看到的希格斯粒子）或寻找新物理学的特定假设。

科学家们认为这会是个卓有成效的策略，因为能有很好的方向去找。许多人期望在LHC启动后不久发现新的重粒子，例如一组被称为超对称的理论所预测的那些。除了最复杂的超对称版本外，其他都未能排除。到今天，没几个标准模型的理论拓展比其他的看起来更正确些。

实验人员现在正在转向不受期望限制的搜索策略。例如，ATLAS和CMS都将寻找可以在两次碰撞中徘徊的长寿命粒子。新的搜索策略，往往意味着要编写拒绝通常假设的分析软件，Siral说。

机器学习也可能有所帮助。许多LHC实验已经使用这种技术来从背景噪声中区分出特定的所需对撞。这是“监督式”学习：算法被赋予了一种寻找的模式。但研究人员越来越多地使用“无监督”机器学习算法，这些算法可以不加预期的前提下广泛扫描异常情况。例如，神经网络可以将事件与标准模型的学习模拟进行比较。如果模拟无法重现事件，那就是反常。虽然这种方法还没有系统地使用，“但我确实认为这是人们将要研究的方向。”荷兰拉德堡德奈梅亨大学的Sascha Caron说，他致力于将这些技术应用于ATLAS数据。

在减少搜索偏差的过程中，决定哪些事件值得关注的触发器至关重要，因此新的 GPU将能够以更广泛的标准搜索候选事件。CMS还将使用一种称为“侦察”的方法：分析最初选择的但未详细保存的所有100000个左右的事件的粗略重建。CMS实验的物理学家Andrea Massironi说：“这相当于让你的探测器只用一年时间多跑了10年的工作。”

大型强子对撞机CMS实验中的探测器，机器关闭期间的照片。来源：Samuel Joseph Hertzog， Julien Marius Ordan/CERN

触发器本身也可能很快依靠机器学习来做出选择。CERN的粒子物理学家Katya Govorkova和她的同事们提出了一种高速原理验证算法，使用机器学习，根据对撞机中的每秒4000万个事件与标准模型的吻合度，来选择保存哪些事件^[5]。在第三次运行中，研究人员计划在CMS对撞中训练和测试算法，以及实验的传统触发器。Govorkova说，一个挑战将是弄清如何分析算法标记为反常的事件，因为它还不能指出事件反常的确切原因。

Amhis说，物理学家必须保持开放的心态，这样他们才可能会找到将他们引向标准模型之外理论的线索。尽管目前的反常现象令人兴奋，但即使是有过去多次实验发现的奇怪现象最终还是被证明是统计上的意外，收集到更多数据就会消失。“重要的是我们得继续推动所有的物理项目，”她说。“就是不要把所有鸡蛋都放在一个篮子里。”

参考文献：

1. CDF Collaboration. Science376， 170–176 (2022).

2. LHCb collaboration. Nature Phys. 18， 277–282 (2022).

3. Abi， B. et al. Phys. Rev. Lett. 126， 141801 (2021).

4. ATLAS Collaboration. Preprint at arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2205.06013 (2022).

5. Govorkova， E. et al. Nature Mach. Int. 4， 154–161 (2022).

原文以How the revamped Large Hadron Collider will hunt for new physics为标题发表在2022年5月22日《自然》的新闻特写版块上

本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Elizabeth Gibney