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— 《进步者日报》编辑部 / La rédaction
粒子物理学标准模型主宰着我们对微观世界的理解，已逾半个世纪。这一理论精确描述了物质的基本组成单元，以及支配它们的四种基本力中的三种：电磁力、弱相互作用和强相互作用。2012年希格斯玻色子的预测与发现是其重要成就。然而，标准模型并未涵盖引力，也无法解释暗物质和暗能量的本质——而这两者占宇宙总质量的95%。
强相互作用是自然界最强的力，居于这一理论体系的核心。它将夸克禁闭在质子和中子内部，又将质子和中子结合成原子核。没有强相互作用，从构成人体的原子到宇宙中燃烧的恒星，都无从存在。理解强相互作用的细节，是物理学家长期追求的目标。欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）的近期实验，正在揭开其最复杂层面的面纱。
大型强子对撞机：重现宇宙诞生初始时刻的装置
大型强子对撞机是迄今最大、最强的粒子加速器。它坐落于法瑞边界地下约百米深处，由一条周长27公里的环形隧道构成。LHC将质子或重离子加速至光速的99.9999991%，两束粒子沿反方向运行，在环上四个固定点发生正面碰撞。
碰撞点处安装有ATLAS、CMS、ALICE和LHCb四台大型探测器。ATLAS和CMS是通用型探测器，负责搜寻各类物理现象，希格斯玻色子正是由这两台探测器联合发现。ALICE专门研究重离子碰撞，用于重现大爆炸后数微秒内存在的夸克-胶子等离子体。LHCb则聚焦于底夸克研究，探索标准模型的潜在缺陷。LHC通过重现极高能量密度，为研究自然基本规律提供了独特窗口。
90%的轻原子核在碰撞后形成
一个长期困扰物理学家的问题是：在LHC重离子碰撞产生的极端高温高密环境中，轻原子核为何能够存活？碰撞温度可达太阳核心温度的数十万倍，按理论预测足以将这些原子核分解。
2025年底，ALICE合作组在《自然》杂志发表论文，宣布解开这一谜团。研究显示，约90%的氘核（由一个质子和一个中子组成）并非直接来自初始碰撞。它们经由一个延迟融合过程形成：不稳定的Δ共振态衰变为一个π介子和一个核子。该核子在离碰撞点稍远、温度略低的区域射出，随后与附近另一个核子融合，生成稳定的氘核。
ALICE发言人Marco van Leeuwen指出，这一发现为下一代理论模型提供了关键数据。这些模型对于天体物理数据的解读不可或缺，尤其在暗物质信号搜寻方面——宇宙中轻原子核和反原子核的产生机制可能与此类似。
新发现的双粲重子质量是质子的四倍
2026年3月，LHCb合作组宣布发现新粒子Ξcc⁺重子。重子由三个夸克构成，质子是最常见的例子（两个上夸克，一个下夸克）。Ξcc⁺由两个粲夸克和一个下夸克组成，质量约为质子的四倍。
这一发现解决了一个持续20年的谜题。2002年，费米实验室曾观察到类似粒子的迹象，但测得的质量与理论预测不符。LHCb此次测量达到七个标准差的统计显著性，确认了该粒子的存在及其预期质量。这是继2017年发现Ξcc⁺⁺（两个粲夸克加一个上夸克）之后，第二个被证实的双重重子。
两种粒子的对比为检验量子色动力学（QCD）提供了独特条件。新重子的衰变速度是Ξcc⁺⁺的六倍，这一寿命差异源于强相互作用引发的复杂量子效应，是检验理论模型的有力工具。
在飞米尺度探测三体相互作用
2024年9月，ALICE合作组在《物理评论X》发表论文，提出了研究三体核系统动力学的新实验方法。这一方法名为飞米学，通过测量产生粒子之间的动量关联，探测氘核与第三个强子在约2飞米（2×10⁻¹⁵米）距离上的相互作用。
分析表明，要正确描述质子-氘核关联，必须采用完整的三体理论模型。这一方法为研究涉及奇异夸克或粲夸克的三体力开辟了新路径。相关研究对理解中子星的结构至关重要——中子星密度极高，质子和电子在其中融合成中子，奇异粒子也可能在此出现。
技术衍生：从医学影像到万维网
CERN的首要任务是基础研究，但其技术需求在多个领域产生了实际应用。建造和运行LHC，要求工程师在低温技术、真空、超导、电子学和计算机科学等领域突破极限。LHC的超导磁体产生的磁场强度是地球磁场的10万倍，用于弯曲质子轨迹。
这些技术已延伸至医疗领域，尤其是磁共振成像（MRI）。粒子加速技术也是强子治疗的基础——这种高精度放射疗法利用质子或碳离子束摧毁肿瘤，同时保护周围健康组织。1989年，蒂姆·伯纳斯-李在CERN发明了万维网，初衷是满足全球科学家的信息共享需求。为处理LHC每年产生的逾30拍字节数据，CERN还开发了计算网格——一个全球计算机协作网络，是云计算的早期雏形。
高亮度LHC与未来环形对撞机
下一重大升级是高亮度大型强子对撞机（HL-LHC），预计2029年左右投入使用。HL-LHC的碰撞频率将提升5至7倍，到2030年代末累计数据量将达到现有水平的十倍。这将使希格斯玻色子等粒子的性质测量精度大幅提升，同时扩大新粒子发现的可能性。
更长远的规划是未来环形对撞机（FCC）。该装置隧道周长91公里，分两个阶段建设：首先建造正负电子对撞机FCC-ee，之后建造质子对撞机FCC-hh，碰撞能量可达100 TeV，是LHC的七倍。当前对强相互作用的深化认识，是设计这些未来装置、解读其数据的基础。
CERN近期的进展——轻原子核形成机制、新粒子发现、三体分析新方法——共同指向同一目标：深化对粒子物理学标准模型的理解。每项结果都为物质拼图增添了一块。这些研究同时为宇宙学和暗物质搜寻提供了新的切入点。通往统一物质理论的道路仍然漫长，但LHC正在缩短这段距离。
CERN年度预算超过12亿瑞士法郎，由23个成员国共同出资，雇员近2600人，接待全球逾13000名科学家。这笔对基础研究的持续投入，是拓展人类知识边界、开发未来技术的基石。
参考文献
- CERN. (2025年12月10日). ALICE solves mystery of light-nuclei survival. https://home.cern/news/news/physics/alice-solves-mystery-light-nuclei-survival
- Boyle, A. (2026年3月18日). CERN Adds a New Particle to Large Hadron Collider’s Subatomic Zoo. Universe Today. https://www.universetoday.com/articles/cern-adds-a-new-particle-to-large-hadron-colliders-subatomic-zoo
- Thomas, J. (2026年3月17日). CERN detects new particle at Large Hadron Collider. Innovation News Network. https://www.innovationnewsnetwork.com/cern-detects-new-particle-at-large-hadron-collider/67735/
- ALICE Collaboration. (2024年9月24日). Exploring the Strong Interaction of Three-Body Systems at the LHC. Physical Review X, 14(3), 031051. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.14.031051
- Sphicas, P. (2025年11月7日). Ten windows on the future of particle physics. CERN Courier. https://cerncourier.com/ten-windows-on-the-future-of-particle-physics/