如果能量級別遠遠超出現有粒子加速器的能量范圍，目前流行的粒子物理標準模型就會露出破綻。因此，無論大型強子對撞機發現什么，都會把物理學帶入一個全新的境界。
為什么要建造大型強子對撞機？如果要求物理學家只用一個詞來回答，大部分人的答案會是“希格斯”。希格斯粒子是當前物質理論中最后一個尚未被發現的粒子，因此具有極大的吸引力。不過實際情況還要有趣得多。這臺新對撞機將使物理學家的探測能力躍上一個新臺階，幅度之大遠勝于粒子物理學史上出現過的任何一臺機器。我們不知道它會發現些什么，但不論我們有什么新發現，或是遇到什么新難題，都必然會改變粒子物理學面貌，并波及其他相關科學領域。
電磁作用和弱相互作用（weak interaction）是我們在日常生活中廣泛接觸的兩種自然力，在LHC即將探索的新世界里，我們有望了解這兩種力為什么會有所區別。我們還會對一些簡單而又深刻的問題增加新的理解，比如：為什么存在原子？為什么會發生化學反應？是什么讓穩定結構得以維持？
尋找希格斯粒子是關鍵一步，但僅僅是個開始。在此基礎上揭示出來的現象，也許可以闡明引力為什么會比自然界的其他作用力弱許多，并揭開充斥在宇宙中的暗物質的神秘本質。建造LHC還有更深層次的目的，包括洞察物質的不同形式、為外表截然不同的粒子統一歸類，以及了解時空的本性等。所有這些問題似乎都彼此關聯，而且都與最初促使科學家預言希格斯粒子的那一堆“疑難雜癥”有關。LHC將幫助我們厘清這些問題，引導我們踏上解答這些問題的探索之旅。
現有物質理論
標準模型可以解釋已知世界的大部分現象，粒子方程的對稱性決定了粒子之間的作用力。
物理學家把一種粒子物理學理論稱為“標準模型”（Standard Model），它能解釋已知世界的大部分現象。“模型”二字表明，這一理論尚未完工，仍在不斷發展。標準模型的主要內容形成于上世紀七八十年代。在那段激動人心的歲月里，里程碑式的實驗發現不斷涌現，引發許多富有成效的學術討論，進而催生出不少理論設想。許多粒子物理學家把最初10年視為萌芽階段，隨后的15年則是理論完善時期。標準模型得到了越來越多的實驗支持，但超出其解釋范圍的現象也在不斷增加。新的理論設想擴展了我們的觀念，讓我們認識到世界原來如此豐富、如此廣闊。總而言之，實驗和理論方面的持續進展表明，未來10年，粒子物理學領域將十分活躍。回首既往，我們會發現，原來這場革命一直都在醞釀之中。
根據現有理論，物質主要由夸克（quark）和輕子（lepton）這兩大類粒子構成，它們參與了已知四種基本作用力中的三種，即電磁作用、強相互作用（strong interaction）和弱相互作用。第四種基本作用力——引力，目前還被排除在粒子物理理論體系之外。夸克構成了質子和中子，能夠參與全部三種作用力；輕子中最有名的當數電子，它們不參與強相互作用。兩類粒子最主要的區別在于，夸克有顏色，而輕子沒有顏色——這里的“顏色”，只是一種與電荷類似的粒子屬性，和普通的顏色沒有任何關系，只是借用名詞而已。
［粒子物理學基礎］物質是什么
如果深入觀察物質的深層結構，就會發現物質是由幾種基本粒子構成的。在標準模型中，粒子是一個沒有大小的幾何點。圖中顯示的粒子大小反映了它們的質量。
方程的對稱性（symmetry）是標準模型遵循的指導原則。對稱的圓球，不論從哪個角度看過來都一樣。與此類似，改變定義方程所采用的視角，甚至在不同的時間和空間位置改變不同的幅度時，對稱的方程也不會發生變化。
為了確保幾何對稱，物體的形狀會受到極為嚴格的限制。如果圓球表面鼓起一個小包，它的對稱性就被破壞，不同的角度看過去，模樣也會有所不同。同樣，方程的對稱性也會讓方程受到嚴格限制。這些對稱性產生的作用力，由一類被稱為玻色子（boson）的特殊粒子傳遞。
“形式服從功能”是美國建筑大師路易斯沙利文（Louis Sullivan）的名言，不過標準模型完全顛覆了這句話。在粒子物理學中，理論的形式決定了它所描述的功能，即粒子方程的對稱性決定了粒子之間的作用力。強相互作用服從于夸克方程的對稱性：無論夸克的顏色如何選取，描述夸克的方程必須相同。這種作用力由8種被稱為膠子（gluon）的粒子傳遞。另外兩種作用力（電磁作用和弱相互作用）被合稱為“電弱”（electroweak）作用，服從于另一種方程對稱性。電弱作用由4種粒子傳遞，分別是光子（photon）、Z玻色子、W+玻色子和W-玻色子。
打破對稱
如果存在希格斯粒子打破電弱對稱性，原本存在致命缺陷的電弱理論就能精確解釋大量現象。
電弱作用理論由謝爾登格拉肖（Sheldon Glashow）、史蒂文溫伯格（Steven Weinberg）和阿卜杜勒薩拉姆（Abdus Salam）創立，他們也因為這項成就獲得了1979年度諾貝爾物理學獎。弱相互作用涉及放射性β衰變，并非作用于所有的夸克和輕子。這些粒子存在兩種互為鏡像的手征變化，分為左手征和右手征，β衰變中的作用力僅對左手粒子起作用。這一事實發現已有50年之久，但至今依然沒有得到解釋。左手粒子的這種代對稱性（family symmetry）有助于進一步闡明電弱理論。
電弱理論剛提出時，存在兩個致命缺點。第一，它預言了4種傳遞長程力的規范玻色子（gauge boson），而自然界中僅有光子能夠傳遞長程力。另外3種粒子傳遞的都是短程力，作用范圍不超過10-17米，還不到質子半徑的百分之一。根據海森堡不確定性原理，這么小的作用范圍，暗示傳遞這種作用力的粒子質量必須接近1,000億電子伏特，即100 GeV（十億電子伏特）。第二個缺點是，代對稱性不允許夸克和輕子擁有質量，而事實上，它們的質量并不為零。
物理學家后來意識到，自然規律的對稱性并不一定非要在這些規律的結果中表現出來。這種現象被他們稱為“對稱性破缺”，幫助電弱理論擺脫了最初的尷尬局面。對稱性破缺的理論基礎，是由物理學家彼得希格斯（Peter Higgs）、羅伯特布魯（Robert Brout）、弗朗索瓦恩格勒特（Francois Englert）等人在20世紀60年代中期提出的。他們的靈感來自于一個看起來毫無關聯的現象：超導電性（superconductivity）。某些材料在低溫下可以零電阻傳導電流，這種性質就被稱為超導電性。盡管電磁定律本身是對稱的，但超導材料中的電磁行為卻并不對稱。光子在超導體中會獲得質量，從而限制了電磁場滲入超導材料之中。
事實證明，這一現象成了電弱理論的完美原型。假如空間中充斥著一種能夠影響弱相互作用而不影響電磁作用的“超導體”，給W和Z玻色子賦予質量，它就能限制弱相互作用的作用范圍。構成這種“超導體”的粒子被稱為“希格斯玻色子”。通過與希格斯玻色子的相互作用，夸克和輕子也能獲得質量。這些粒子本身沒有質量，而是通過這種方式獲得了質量，因此它們仍然保留了弱相互作用所要求的對稱性。
包含了希格斯粒子的現代電弱理論，能夠非常精確地解釋大量實驗結果。事實上，夸克和輕子以規范玻色子為中介發生相互作用的范例，不僅徹底改變了我們關于物質的概念。還向我們表明，如果粒子獲得了很高的能量，強、弱和電磁相互作用有可能統一為同一種相互作用。電弱理論在概念上大獲成功，但它并不完善。它能說明夸克和輕子如何獲得質量，但并沒有預言它們的質量各是多少。對希格斯玻色子自身的質量，電弱理論同樣語焉不詳——這種粒子必須存在，但理論無法預言它的質量。粒子物理學和宇宙學中的許多突出問題，都與“電弱對稱性究竟如何破缺”這個問題密切相關。
標準模型的局限
希格斯粒子的質量決定了電弱理論的適用范圍，同時也帶來了另一個有趣的矛盾——級列問題。
受到20世紀70年代一系列觀測結果的鼓舞，理論學家們開始認真看待標準模型，甚至開始探索它的局限性。1976年底，我和美國費米國家加速器實驗室的李輝昭（Benjamin W. Lee）、目前在美國弗吉尼亞大學的哈里B 撒克（Harry B. Thacker）共同設計了一個思想實驗，研究能量極高時電弱相互作用會有怎樣的行為。我們設想了W、Z和希格斯玻色子發生對撞時的情景。這個思想實驗似乎有點不切實際，因為當時還沒有觀測到其中任何一種粒子。不過，物理學家有義務假設這些粒子全都真實存在，通過這種方式對所有理論加以檢驗。
我們發現，這些粒子產生的作用力之間存在著微妙的相互影響。如果擴展到能量極高的情況，只有在希格斯玻色子的質量不超過1 TeV（萬億電子伏特）時，我們的計算才有意義。如果希格斯粒子的質量小于1 TeV，那么在所有的能量狀態下，弱相互作用都將保持微弱狀態，電弱理論也將始終有效。如果希格斯粒子的質量大于1 TeV，弱相互作用就會在萬億能標附近增強，奇異粒子的種種異象也會隨之而來。找到這樣一個判定條件十分有趣，因為電弱理論無法直接預言希格斯粒子的質量。這一質量臨界點意味著，當LHC把我們帶入萬億能標，將我們的思想實驗變成現實之時，必定會有某種新發現——要么找到希格斯玻色子，要么找到一些新的物理現象。
過去的實驗或許已經觀察到了希格斯粒子所施加的幕后影響，這種效應是海森堡不確定性原理的另一種結果。不確定性原理暗示，希格斯玻色子之類的粒子出現的時間極短，無法被直接觀測，但足以在粒子反應過程中留下可以察覺的微弱痕跡。位于歐洲原子能研究中心（CERN）的大型正負電子對撞機，曾經檢測到了這只“幕后黑手”的作用，LHC所用的隧道就是大型正負電子對撞機的舊址。將精確的測量數據和理論作一個比較，結果強烈暗示希格斯粒子確實存在，而且質量不超過192 GeV。
如果希格斯粒子的質量小于1 TeV，就會引出一個有趣的矛盾。在量子理論中，質量之類的物理量并不是固定不變的，許多量子效應都會影響它們的取值。就像希格斯粒子可以對其他粒子施加幕后影響一樣，其他粒子也可以對希格斯粒子施加同樣影響。這些粒子在某個能量范圍內施加影響，總影響程度取決于標準模型究竟在多高的能量上失效。如果標準模型在低于1012 TeV（強相互作用和電弱相互作用實現統一的能標）的能量范圍內始終有效，那些具有超高能量的粒子就會作用于希格斯粒子，給它賦予遠遠大于1 TeV的質量。可是，為什么希格斯粒子的質量看起來會低于1 TeV呢？
這個矛盾被稱為級列問題（hierarchy problem）。解決辦法之一是，增加或減少不同粒子的數目，達到一個不穩定平衡，使它們的影響彼此抵消。不過，物理學家已經開始懷疑，更深次的物理學原理也許并不要求這種無限精確的相互抵消。因此，我和許多同事一樣，認為希格斯玻色子和新物理現象很可能都會在LHC中現身。
［如何解決級列問題］：尋找物理學新定律
不管是什么原因讓希格斯粒子的質量保持在萬億能標附近，這種解釋一定會超出標準模型的范疇。理論學家提出了許多可行的解決方案，大型強子對撞機將對這些方案加以檢驗。以下是三種頗有前途的方案：
超對稱：希格斯粒子與所謂“虛粒子”（virtual particle，夸克、輕子及其他粒子的“翻版”）的相互作用，是導致希格斯粒子質量增加的原因。不過，如果每種粒子都有一種超伴子與它配對，它們作用就會相互抵消，讓希格斯粒子的質量不至于升高。
人工色模型：也許希格斯粒子不是真正的基本粒子，而是其他基本粒子的組合，就像質子由夸克和膠子組合而成一樣。如此一來，希格斯粒子的質量主要將取決于那些基本粒子的能量，對那些可以增加質量的超高能過程也不會再如此敏感。
超維：如果在我們熟悉的三維以外，空間還存在其他的維度，粒子在高能情況下的相互作用可能就完全不同，大統一所需的能量可能也不像物理學家現在所認定的那么高。這樣一來，超高能過程的能量將大大降低，級列問題也就不成問題了。
形形色色的奇異粒子
理論學家已經探索了許多種方法，其中一些也許可以解決級列問題。
超對稱假說（supersymmetry）是主要候選理論之一。該假說認為，每個粒子都有一個尚未被發現的、自旋不同的超伴子（superpartner）。如果大自然嚴格遵從超對稱性，粒子與超伴子的質量必定相同，它們對希格斯粒子的影響則精確抵消。果真如此的話，物理學家早就該找到超伴子了。因此，就算超對稱存在，也一定是個破缺的對稱。如果超伴子的質量小于1 TeV，對希格斯粒子的總影響也會小到可以接受的程度。這樣一來，LHC就有可能探測到這些超伴子。
人工色模型（technicolor）是另一個候選理論。該模型假設希格斯玻色子并不是真正的基本粒子，而是由一些尚未被觀測到的成分構成的。（“人工色”這一術語，是從定義強相互作用的色荷泛化而來的。）果真如此的話，希格斯粒子就擁有更復雜的內部構造。把希格斯粒子約束在一起的作用力的能量特征約為1 TeV，發生在這一能量附近的對撞，將讓我們有機會窺探希格斯粒子的內部結構，從而揭露它的構成本質。和超對稱假說一樣，人工色模型也暗示，LHC將發現大量形態各異的奇異粒子。
第三種設想非常誘人。這種設想認為，隨著我們在越來越小的尺度上展開探索，級列問題會迎刃而解，因為除了我們熟悉的三個空間維度以外，空間還存在著其他的維度。超維的存在可能會改變相互作用強度隨能量的變化方式，甚至改變相互作用統一的過程。在這種情況下，相互作用的統一及新物理現象的出現，不一定要發生在1012 TeV，可能在低得多的能量上就會出現。具體低到什么程度，則與超維的尺度大小有關，甚至有可能低到只有幾個TeV。這樣的話，LHC也許就能一窺超維的秘密。
另外一個跡象表明，在萬億能標下會出現一些新現象。宇宙中的大部分物質由暗物質構成，而暗物質本身似乎是一類新奇的粒子。如果這種粒子的相互作用強度與弱相互作用類似，只要它的質量介于大約100 GeV到1 TeV之間，大爆炸就能產生足夠數目的粒子，解釋宇宙中暗物質所占的物質比例。無論如何，級列問題的解決也許能為暗物質粒子提供一個候選者。
地平線上的革命
各種加速器實驗的首要目的就是，對這個新世界展開徹底探索。也許電弱對稱破缺的原因、級列問題和暗物質的本質等問題，都可以在這個新世界里找到答案。即將啟用的大型強子對撞機將替代目前仍在運轉的萬億電子伏特正負質子對撞機。有了更加趁手的實驗工具，物理學家們倍受鼓舞，找到那些問題的答案似乎也指日可待了。這些答案不僅會給粒子物理學交上一份令人滿意的答卷，還將加深我們對于周邊世界的理解。
不過，就算這些期待全部實現，探索之旅也遠未走到盡頭。LHC應該可以找到將所有作用力全部統一的線索，也能找到粒子質量遵循某種合理布局的跡象。物理學家提出的有關新粒子的任何一種解釋，都會對已知粒子的某些罕見衰變產生一定的影響。揭開電弱相互作用的神秘面紗，很可能會加深我們對這些問題的理解，改變我們思考這些問題的方式，啟迪我們設計未來更加強大的實驗，對物理理論展開更深入的探索。
1935年，為了解釋核力，物理學家湯川秀樹（Hideki Yukawa）預言了π介子的存在。這種粒子后來被英國科學家塞西爾鮑威爾（Cecil Powell）發現，鮑威爾也因此獲得了1950年度諾貝爾物理學獎。他采用的方法是，把高感光度的照相乳膠（photographic emulsion）放置在高山上，讓它們受到宇宙線的影響而曝光。他后來回憶說：“當我取回照相乳膠，在布里斯托爾把它們沖洗出來的時候，我立刻意識到，一個全新的世界已經展現在我們面前……就像我們闖入了一個有高墻環繞的果園，果園里的果樹受到精心呵護，枝葉茂盛，枝頭掛滿了各類已經成熟的奇異果實，而且數量眾多。”這大概就是闖入萬億能標后，我們第一眼將看到的情景。
