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2008年9月10日：大型强子对撞机（LHC）正式启动

2008 年 9 月 11 日，国际主要媒体都争相报道一则物理新闻 ─ 座落于瑞士日内瓦近郊的欧洲核物理研究中心（European Organization for Nuclear Research，CERN）于前一天成功地启动了大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）。《纽约时报》的报道如此开头：“科学顺着次原子射束和香槟之河，于星期三（9月10日）驶向未来。”

LHC隧道中的一段（From Wikimedia Commons）

LHC 是史上最大、最复杂、也最昂贵的科学实验设施，造价美金 80 亿。加速器位在法国与瑞士边界周长27公里的圆形地下隧道中，隧道最深离地面达 175 米。

利用超导磁铁，LHC 可以将质子束加速到几近光速，最高可具有7兆电子伏特的能量，是一个空前的记录。当二个带有这么高能量的质子迎面对撞时，物理学家预期可以侦测到许多新的粒子和现象，并可以进一步了解自然界的各种作用力，以及宇宙的形成和演化。

人类亘古以来即希望能了解万物组成的基本成分，以及它们如何相互作用。古希腊哲学家恩培多克里斯（Empedocles，490-430 BC）主张万物皆由火、气、水、土四个元素所组成，并说宇宙内存在有“爱”与“恨”两种力，“爱”使元素结合在一起，“恨”则让它们分开。柏拉图后来加进了新的元素叫“以太”。中国古代有阴阳五行说，认为大自然现象是“金、木、水、火、土”五种气的变化总结。

直到 1920 年代，当时已知的基本粒子只有电子、质子和光子，已知的两种基本作用力是重力和电磁作用。第二次世界大战前对原子核的研究以及中子的发现，显示自然界还存在有两种力，即让中子与质子聚在原子核内部的强作用，与促使中子和原子核发生β衰变的弱作用。

二次大战之后迎来基本粒子物理的黄金年代。在理论方面，先是 1960 年代出现了可以将电磁与弱交互作用加以统一描述的电弱理论，紧接的是 1970 年代基于夸克带有“色荷”的量子色动力学的出现，用以描述强作用现象。电弱作用和量子色动力学都是规范场论，合称标准模型，验证标准模型遂成为实验高能物理的显学。

在实验方面，1980 年以前美国各个国家实验室中的大型加速器接二连三地发现了许多包括夸克在内的新粒子，一直独领风骚。但是 CERN 先在 1973 年发现中性流的存在，继而在1983年发现W和Z玻色子，确立了电弱作用论之后，大西洋两岸在高能物理实验方面的竞争逐渐形成平分秋色的局面。

LHC 的想法在大型电子-正电子对撞机（LEP）的构想提出之后就已出现。LEP 的隧道便为现在的 LHC 所用。LHC 早期的讨论多集中在如何与拟议中的 40 兆电子伏特（40 TeV）之超导超级对撞机（SSC）竞争及比较，例如制造更便宜 1 TeV 能量但具更高亮度的对撞机，说不定也很具竞争力。

1988年，CERN 在其由总主任卢比亚（C. Rubbia，1984年诺贝尔物理奖）召集之长期计划小组的建议下，开始对 LHC 所需高性能的磁铁进行研发工作。卢比亚当时并主张LHC应设计成也可以加速重离子，以及 LEP 的电子束，后者可惜并未成真。在卢比亚的大力推动下，CERN理事会终于在1991年12月作成决议，认为 LHC 是符合 CERN 未来进步的正确机器，并要求卢比亚于1993年底提交一份完整的计划书。

当时发生了两件大事，一是东德崩溃，东西德决定合并；另一则是美国国会于 1993 年决议终止超导超级对撞机（the Superconducting Supercollider，SSC）。

SSC 计划的终止让 LHC 减少了一个潜在的强力对手，但费米国家实验室的正负质子对撞机（Tevatron）仍不可小觑。

由于东西德统一的经费庞大，因此德国要求减轻其对 CERN 经费的负担。LHC 的建造成本昂贵，加上部分会员国对高能物理转趋消极，所以在卢比亚继任者的折冲之下，CERN 理事会终于在1994年12月正式批准 LHC 的二阶段兴建计划。

1995 年 6 月日本同意负担可观的经费，为非会员国最先表态支持的国家，之后俄国、印度、加拿大与美国相继跟进，后来德国同意 CERN 可以短期采用赤字财政，美国与 CERN 的协议又及时于1997 年 12 月签署，终使 CERN 理事会于1997年12月20日正式批准 LHC 单一阶段兴建计划，完成目标为 2005 年。

LHC 的兴建过程由于超导磁铁新的设计及测试费时，造成进度延宕，但它能于 2008 年 9 月正式启动即已让全球高能物理界雀跃不已。只是好景迅速消失，启动后 10 天，一个电路短路导致爆炸，毁损了 53 个超导磁铁。幸好经过 1 年的整修，LHC 终于在 2009 年 11 月 20 日重新启动。

2012 年 7 月 4 日，CERN 宣布 LHC 的两个主要侦测器同时发现了标准模型最后的一个拼图 ─ “上帝粒子”希格斯玻色子，确切存在，全球为之欢腾！

LHC 的兴建激发了普罗大众与艺文界的丰富想象，出现了许多相关的小说、电视影集、影片、饶舌歌曲和电玩。另外，有少数的科学家忧心 LHC 可能带来世界的毁灭，他们认为 LHC 的实验中可能会产生微黑洞或奇异粒子，所以向大西洋两岸的法院举发控诉，要求停止 LHC 的运转。不过，法官并未接受，因为 CERN 的科学家解释，相同的高能碰撞事件早就随时都在宇宙线中发生。

现今有近万名的物理学家仍日以继夜地在 CERN 做实验，希望发现更多崭新的物理现象。