到目前為止，地球上最大的粒子對撞機是歐洲大型強子對撞機，簡稱為 LHC ，今天，讓我們繼續對它做一些更深入的了解。
LHC 的結構總的來說，它由三個部分組成。
第一個部分就是最為壯觀的粒子加速環，或者叫粒子加速管道：在一條長達 27 公里、接近於完美的圓形隧道中，平行放置了兩條真空管道，管道被超導磁鐵包裹著，用液氦冷卻到接近絕對零度。為什麼要有兩條管道呢？因為質子束在兩條管道中被分別加速，一束質子順時針運動，一束質子逆時針運動，這樣才能實現迎頭相撞的效果；第二個部分是碰撞點，在 27 公里長的環形管道上，設定了一共四個碰撞點；第三個部分就是探測器，這是 LHC 最為核心的部件，一共有 7 大實驗探測器。其中，最為公眾所熟知的探測器就是簡稱為 ATLAS 的探測器，它的中文全稱叫“超環面儀器”，這是一部巨大的機器，整體是一個圓筒形的造型，長達 44 米，圓面直徑 25 米，重達 7000 噸，把兩架載客人數 150 人左右的波音 737 客機塞進去都沒問題。2012 年宣佈發現的上帝粒子就是這個探測器發現的，所以很出名。還有一個非常出名的探測叫 CMS，中文全稱叫“緊湊 μ 子線圈”，這也是一個圓筒形結構的探測器，長約 21 米，直徑約 16 米，尺寸要比 ATLAS 小得多，但是重量卻達到了驚人的 12500 噸，這是因為它的零部件設計得特別緊湊，因此被叫做緊湊 μ 子線圈。
ATLAS 和 CMS 是 LHC 的明星探測器，媒體曝光率最高，事實上它們確實是尋找新粒子競賽中極為重要的兩個選手。但是，這並不是說其他選手就沒有了奪冠的可能，其實 LHC 的 7 個探測器，哪一個都不是吃素的。今天我要給大家重點介紹的就是 LHCb 實驗，中文全稱叫：大型強子對撞機底夸克實驗，這個實驗用到的探測器就是 LHCb 探測器，它的體形和名氣都比 ATLAS 和 CMS 要小一些，但沒有人敢輕視它，它也為這場尋找新粒子的競賽帶來了更多的不確定性。
什麼是 LHCb 實驗？咱們還得從標準模型開始講起，這是目前理論物理界對已知粒子如何產生以及如何相互作用的一個最佳理論。可以說，它取得了巨大的成功，解釋了絕大部分微觀世界的現象，所做出的預言也在非常高的精度上得到了驗證。總的來說，它把基本粒子劃分為夸克和輕子。夸克有 6種，又分為 3組，物理學家習慣稱為 3“代”：上夸克和下夸克為第一代，粲夸克和奇夸克為第二代，底夸克和頂夸克為第三代。注意，底夸克的英文是 beauty quark，這個 beauty 就是美女的那個 beauty，LHCb 中的 b 就是 beauty 的首字母。當然，在英文中，表示底夸克更常見的一個詞是 bottom quark，這也是中文譯名的由來，但是 LHCb 的英文全稱確實是 Large Hadron Collider beauty。
我們繼續講標準模型。在自然界中，我們從未觀測到孤立的夸克，它們總是組合成所謂的強子態。所以，粒子物理學中所稱的“底強子”就是包含底夸克的粒子。與夸克類似，輕子也分為三代：電子和電子中微子，μ子和μ中微子，τ子和τ中微子。上夸克、下夸克和電子同為第一代基本粒子，我們日常所見物質中的原子均由它們組成。另外兩代粒子有些難以捉摸，必須利用粒子加速器才能讓它們顯出真容。作用在這些粒子上的力包括電磁力、弱作用力和強作用力，但是並不包括萬有引力，因為在亞原子層次上引力的效應小到可以忽略不計。每種作用力都需要額外的粒子來傳遞：例如，光子傳遞電磁力，W玻色子和 Z玻色子傳遞弱作用力。在所有這些粒子之外，還有希格斯玻色子，它代表的是一種為某些粒子賦予品質的基本場。
然而，物理學家知道標準模型一定是錯誤的。請注意，這裡的“錯誤”是要打引號的，物理學家們更願意稱這個理論不完善。標準模型對某些問題的回答非常成功，但是對其他一些問題卻完全無能為力。在宇觀尺度上有一些標準模型無法解釋的問題。例如，宇宙大爆炸時正反物質應該是等量誕生的，為什麼現在宇宙卻幾乎完全由正物質組成？此外，標準模型也無法解釋暗物質的本質。儘管看不到宇宙中這些額外的品質，但我們知道暗物質肯定存在。我們觀測到的恆星和星系運動，就是在它們的驅動下進行的。事實上，標準模型並不包含萬有引力這個在大尺度下起主導作用的力，迄今為止，所有試圖將萬有引力納入標準模型框架的嘗試均以失敗告終。
而即使是已知的亞原子粒子世界，也還有很多未解之謎。希格斯玻色子的品質恰好略高於 W和 Z 玻色子，然而標準模型認為它的品質應當是後者的萬萬億倍。把基本粒子分成三代也顯得特別生硬，因為三代基本粒子除了品質等級差異很大之外，其他性質幾乎完全相同，就好像是自己的複製品一樣。標準模型對此類問題束手無策。因此，儘管標準模型解決了很多問題，但它註定只是一個近似理論，是有望解決這些謎團的更深層理論的一個表面。與 ATLAS、CMS 以及全球其他眾多實驗一起，LHCb 的目標是發現更深層理論的基本元素，說白了，就是要尋找到標準模型之外的新粒子，找到了新粒子，就相當於找到了開啟物理新世界的鑰匙。
當兩個質子在對撞機中撞得粉身碎骨時，釋放出的高度集中的能量可凝結成與對撞質子完全不同的粒子，例如包含底夸克的粒子，這就是 LHCb 實驗要尋找的底強子。底強子壽命很短，在它衰變成幾個較輕的粒子之前，通常僅能向前飛行 1 釐米左右的距離。為了探測到它們，LHCb 有一些專為研究底強子的物理性質而量身打造的獨家祕技。例如，LHCb在距離大型強子對撞機粒子束流僅 8毫米的位置放置了一個矽微條探測器。LHCb還有一套被稱為環形成像切倫科夫計數器的獨特系統，能夠對底強子衰變產物發出的光進行模式識別，從而鑑別這些衰變產物都是些什麼粒子。
在大型強子對撞機第一階段執行期間，也就是 2010 到 2012 年間，在 LHCb 探測器中產生了大約 1 萬億個底強子。這些粒子的衰變方式很多，其中某些衰變方式尤其令人感興趣，因為這些衰變方式無法用標準模型解釋，而這種無法被現有理論解釋的新發現，就有可能成為“新物理學”的路標。
對於新物理理論的可能形式，理論物理學家提出了很多不同的假說，但其中多數理論都需要引入比已知粒子更重的新粒子。之所以說大型強子對撞機是尋找新物理的理想平臺，很重要的一個原因就在於這些預言的新粒子很重。重到什麼程度呢？這些粒子的有效品質可高達數萬億電子伏。這個電子伏是一個能量單位，並不是一個品質單位。但是在高能物理學中，通常都是用能量單位來表示品質的，因為品質和能量其實是可以相互轉換的。1 電子伏的定義就是 1 個電子在經過了 1 伏特的電位差之後所獲得的動能。幾萬億電子伏是個什麼概念呢？根據我在維基百科查到的資料，核爆中帶電粒子的能量範圍大約也就是 3 萬 到 300 萬電子伏，一個質子的品質如果全部轉換成能量的話，大約是 9 億電子伏，希格斯玻色子大約是 1250 億電子伏。
如果這些預言中的大品質粒子存在，它們衰變時會產生非常特殊的訊號，ATLAS和 CMS實驗的設計目的就通過此類訊號直接尋找這些粒子。不過，尋找新物理另有捷徑，或者說更巧妙的辦法。新粒子的“虛粒子”效應會影響標準模型粒子的衰變，我們可以通過這種效應探測到這些新粒子。
什麼是“虛粒子”呢？這個概念聽上去很奇幻，它是量子力學中的奇妙特性，已經不止一次地正確預言了很多物理過程。當然，要把虛粒子的概念講清楚，不但要藉助費曼圖，而且還不可避免地要用到滿是希臘字母和各種符號的奇怪公式，這絕不是三言兩語就能夠說清楚的。
我這裡只講一個大致的概念，所謂虛粒子其實就是為了擺平量子力學中的一些方程式，而假想出來的一些虛構粒子。這些虛構的粒子往往具有負的品質和能量，聽上去很不可思議。品質和能量怎麼可能是負的呢？唉，量子力學中的不確定性原理就允許這種負能量存在。在物理學中，把真空的能量定義為零，這就好像我們把海平面定義為零海拔一樣。但真空並不是完全沒有能量，比真空更低的能量就是負值。或者你也可以這樣理解，一個虛粒子可以向真空中借能量，從原本什麼也沒有的虛空中，突然借得能量，然後馬上又歸還，這個過程要符合不確定性原理，借得的能量越大，則歸還的時間就越短，反之則越長，時間和能量的乘積是一個常數。
所以啊，有些書上把真空看成是沸騰的海洋，能量不斷地憑空產生又憑空消失，好不熱鬧。雖然，這聽上去更像是一個純數學手段，就好像為了回答什麼數字的平方會是負數一樣，數學家生生造出了虛數的概念。但是，它卻很管用，在過去的幾十年中，物理學家們用這個方法發現了很多新東西，例如，正是利用虛粒子的概念，物理學家們首次預言了粲夸克和頂夸克的存在，並且正確估算了它們的品質。
LHCb 採用間接方式探測新粒子和新物理的策略，其背後的指導原則正是虛粒子概念。由於這些新粒子僅以虛粒子的形式參與我們測量的所有衰變，我們能探測到的粒子的品質就不受限於加速器所能達到的能量。原則上，如果對合適的衰變過程進行足夠精確的測量，我們就可以探測到超出 ATLAS 和 CMS 極限的大品質粒子的效應。這些粒子品質太大，不可能在 LHC中直接產生，更別提探測了。
現在，科學家們已經發現了一些跡象，表明標準模型對底強子衰變的描述並不總是與實驗測量完全相符。這些線索來自多種測量，但擁有某些共同特徵。在得到更多資料，對理論有了更加充分的理解後，我們也可能認識到標準模型實際上與我們的觀測符合得很好。即便如此，先前的這些線索也會展現出標準模型大廈上的裂痕是如何不斷擴大、愈演愈烈的。
現在，物理學家們正在分析大型強子對撞機二期執行採集的新資料，那些與標準模型預言的偏差的顯著性要麼繼續提升，從而使這些異常現象變成物理學中最重大的新聞，要麼煙消雲散，探索之旅將繼續下去。我們還需要一些耐心，讓人類中那些最優秀的大腦折騰去吧，我們在這裡為他們加油吶喊。
假如某個反常的現象從“有趣的跡象”變成了“與標準模型有明顯衝突”，這將意味著什麼呢？顯然，這將是粒子物理領域近幾十年來最重要的進展，它為我們打開了一扇窗戶，窗外的美景一直被隱藏在我們此前所理解的宇宙規律背後。那時，我們需要找出到底是什麼打破了標準模型。新粒子的效應按理說也會出現在其他底強子的衰變過程中，從而為我們提供更多的線索。不管未來結果如何，不可否認的是，LHCb探測器擁有極高的靈敏度，而且在未來幾年還有望得到顯著改進。我們不知道間接尋找新物理的道路是捷徑還是彎路，但是有很多物理學家堅信他們正朝著正確的方向前進。畢竟，指導我們的是伽利略的格言：“可測者，測之；不可測者，使之可測”。對 LHCb 而言，沒有比這更為恰當的箴言了。