对撞机发现粒子的历史高能量对撞机在发现新粒子方面有着悠久的历史,早在LHC之前,欧洲核子研究中心(Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, CERN)的SppS对撞机(SppScollider)在1980年代发现W和Z玻色子〔注一〕后,奠定粒子物理标準模型(standard model, SM)〔注二〕的基础。实际上,标準模型由一组基本粒子、一组规範玻色子(Gauge boson)及粒子之间的相互作用进行描述。
一般而言,物质由费米子(fermion)所组成,而所有的费米子可分为3代,每一代费米子似乎都是彼此重複(图一)。所有的费米子都是在1970~1980年代被发现,而物理学家也在1995年发现顶夸克。儘管如此,质量的起源与其相关的电弱对称性破坏(spontaneous symmetry breaking)机制仍然未知。最简单的选择就是单个希格斯双峰,其具有真空期望值以打破电弱对称性,并使规範玻色子和费米子获得质量。

然而,在发现顶夸克的10多年后,科学家依旧没有发现希格斯玻色子(Higgs boson)的任何暗示。在LHC开始之前,物理学家提出各种新模型,例如多维模型、超对称模型和情景、小希格斯模型及複合希格斯模型等,每个模型在LHC都有非常有趣的预测,科学家希望在LHC的实验得到验证。最终,LHC于2010年开始运行。然而,在2011年中期之前并没有看到任何希格斯玻色子的迹象,这让许多人对LHC产生许多疑虑。2011年底,透过超环面仪器(A Toroidal LHC ApparatuS, ATLAS)和紧凑缈子线圈(Compact Muon Solenoid, CMS)的实验,找到一些标量玻色子的暗示,它们衰变成2个最明显的通道:4个带电轻子与2个光子。

当时的结果与标準模型的预测有些不同,引发后续许多与标準模型希格斯玻色子不同的推测。直到2012年,当实验积累更多数据后,标準模型中的希格斯玻色子为实验数据提供最佳的解释。接下来几年,实验累积越来越多的数据,希格斯特性的精确测量时代就此展开,后续出现寻找电弱对称破坏机制,并且搜索新物理,帮助理论物理学家找到超出标準模型的新模型的方向。不过出乎意料的是,过去几年没有新物理产生的迹象,没有出现超对称性与重粒子,甚至新的相互作用也未出现,高能物理似乎进入一个沉寂的时期。然而,科学界需要新物理的迹象才能继续前进,一些可能性包括以更高亮度运行当前的机器,或者构建更高能量对撞机。

......