如果能量级别远远超出现有粒子加速器的能量范围，目前流行的粒子物理标准模型就会露出破绽。因此，无论大型强子对撞机发现什么，都会把物理学带入一个全新的境界。
为什么要建造大型强子对撞机？如果要求物理学家只用一个词来回答，大部分人的答案会是“希格斯”。希格斯粒子是当前物质理论中最后一个尚未被发现的粒子，因此具有极大的吸引力。不过实际情况还要有趣得多。这台新对撞机将使物理学家的探测能力跃上一个新台阶，幅度之大远胜于粒子物理学史上出现过的任何一台机器。我们不知道它会发现些什么，但不论我们有什么新发现，或是遇到什么新难题，都必然会改变粒子物理学面貌，并波及其他相关科学领域。
电磁作用和弱相互作用（weak interaction）是我们在日常生活中广泛接触的两种自然力，在LHC即将探索的新世界里，我们有望了解这两种力为什么会有所区别。我们还会对一些简单而又深刻的问题增加新的理解，比如：为什么存在原子？为什么会发生化学反应？是什么让稳定结构得以维持？
寻找希格斯粒子是关键一步，但仅仅是个开始。在此基础上揭示出来的现象，也许可以阐明引力为什么会比自然界的其他作用力弱许多，并揭开充斥在宇宙中的暗物质的神秘本质。建造LHC还有更深层次的目的，包括洞察物质的不同形式、为外表截然不同的粒子统一归类，以及了解时空的本性等。所有这些问题似乎都彼此关联，而且都与最初促使科学家预言希格斯粒子的那一堆“疑难杂症”有关。LHC将帮助我们厘清这些问题，引导我们踏上解答这些问题的探索之旅。
现有物质理论
标准模型可以解释已知世界的大部分现象，粒子方程的对称性决定了粒子之间的作用力。
物理学家把一种粒子物理学理论称为“标准模型”（Standard Model），它能解释已知世界的大部分现象。“模型”二字表明，这一理论尚未完工，仍在不断发展。标准模型的主要内容形成于上世纪七八十年代。在那段激动人心的岁月里，里程碑式的实验发现不断涌现，引发许多富有成效的学术讨论，进而催生出不少理论设想。许多粒子物理学家把最初10年视为萌芽阶段，随后的15年则是理论完善时期。标准模型得到了越来越多的实验支持，但超出其解释范围的现象也在不断增加。新的理论设想扩展了我们的观念，让我们认识到世界原来如此丰富、如此广阔。总而言之，实验和理论方面的持续进展表明，未来10年，粒子物理学领域将十分活跃。回首既往，我们会发现，原来这场革命一直都在酝酿之中。
根据现有理论，物质主要由夸克（quark）和轻子（lepton）这两大类粒子构成，它们参与了已知四种基本作用力中的三种，即电磁作用、强相互作用（strong interaction）和弱相互作用。第四种基本作用力——引力，目前还被排除在粒子物理理论体系之外。夸克构成了质子和中子，能够参与全部三种作用力；轻子中最有名的当数电子，它们不参与强相互作用。两类粒子最主要的区别在于，夸克有颜色，而轻子没有颜色——这里的“颜色”，只是一种与电荷类似的粒子属性，和普通的颜色没有任何关系，只是借用名词而已。
［粒子物理学基础］物质是什么
如果深入观察物质的深层结构，就会发现物质是由几种基本粒子构成的。在标准模型中，粒子是一个没有大小的几何点。图中显示的粒子大小反映了它们的质量。
方程的对称性（symmetry）是标准模型遵循的指导原则。对称的圆球，不论从哪个角度看过来都一样。与此类似，改变定义方程所采用的视角，甚至在不同的时间和空间位置改变不同的幅度时，对称的方程也不会发生变化。
为了确保几何对称，物体的形状会受到极为严格的限制。如果圆球表面鼓起一个小包，它的对称性就被破坏，不同的角度看过去，模样也会有所不同。同样，方程的对称性也会让方程受到严格限制。这些对称性产生的作用力，由一类被称为玻色子（boson）的特殊粒子传递。
“形式服从功能”是美国建筑大师路易斯沙利文（Louis Sullivan）的名言，不过标准模型完全颠覆了这句话。在粒子物理学中，理论的形式决定了它所描述的功能，即粒子方程的对称性决定了粒子之间的作用力。强相互作用服从于夸克方程的对称性：无论夸克的颜色如何选取，描述夸克的方程必须相同。这种作用力由8种被称为胶子（gluon）的粒子传递。另外两种作用力（电磁作用和弱相互作用）被合称为“电弱”（electroweak）作用，服从于另一种方程对称性。电弱作用由4种粒子传递，分别是光子（photon）、Z玻色子、W+玻色子和W-玻色子。
打破对称
如果存在希格斯粒子打破电弱对称性，原本存在致命缺陷的电弱理论就能精确解释大量现象。
电弱作用理论由谢尔登格拉肖（Sheldon Glashow）、史蒂文温伯格（Steven Weinberg）和阿卜杜勒萨拉姆（Abdus Salam）创立，他们也因为这项成就获得了1979年度诺贝尔物理学奖。弱相互作用涉及放射性β衰变，并非作用于所有的夸克和轻子。这些粒子存在两种互为镜像的手征变化，分为左手征和右手征，β衰变中的作用力仅对左手粒子起作用。这一事实发现已有50年之久，但至今依然没有得到解释。左手粒子的这种代对称性（family symmetry）有助于进一步阐明电弱理论。
电弱理论刚提出时，存在两个致命缺点。第一，它预言了4种传递长程力的规范玻色子（gauge boson），而自然界中仅有光子能够传递长程力。另外3种粒子传递的都是短程力，作用范围不超过10-17米，还不到质子半径的百分之一。根据海森堡不确定性原理，这么小的作用范围，暗示传递这种作用力的粒子质量必须接近1,000亿电子伏特，即100 GeV（十亿电子伏特）。第二个缺点是，代对称性不允许夸克和轻子拥有质量，而事实上，它们的质量并不为零。
物理学家后来意识到，自然规律的对称性并不一定非要在这些规律的结果中表现出来。这种现象被他们称为“对称性破缺”，帮助电弱理论摆脱了最初的尴尬局面。对称性破缺的理论基础，是由物理学家彼得希格斯（Peter Higgs）、罗伯特布鲁（Robert Brout）、弗朗索瓦恩格勒特（Francois Englert）等人在20世纪60年代中期提出的。他们的灵感来自于一个看起来毫无关联的现象：超导电性（superconductivity）。某些材料在低温下可以零电阻传导电流，这种性质就被称为超导电性。尽管电磁定律本身是对称的，但超导材料中的电磁行为却并不对称。光子在超导体中会获得质量，从而限制了电磁场渗入超导材料之中。
事实证明，这一现象成了电弱理论的完美原型。假如空间中充斥着一种能够影响弱相互作用而不影响电磁作用的“超导体”，给W和Z玻色子赋予质量，它就能限制弱相互作用的作用范围。构成这种“超导体”的粒子被称为“希格斯玻色子”。通过与希格斯玻色子的相互作用，夸克和轻子也能获得质量。这些粒子本身没有质量，而是通过这种方式获得了质量，因此它们仍然保留了弱相互作用所要求的对称性。
包含了希格斯粒子的现代电弱理论，能够非常精确地解释大量实验结果。事实上，夸克和轻子以规范玻色子为中介发生相互作用的范例，不仅彻底改变了我们关于物质的概念。还向我们表明，如果粒子获得了很高的能量，强、弱和电磁相互作用有可能统一为同一种相互作用。电弱理论在概念上大获成功，但它并不完善。它能说明夸克和轻子如何获得质量，但并没有预言它们的质量各是多少。对希格斯玻色子自身的质量，电弱理论同样语焉不详——这种粒子必须存在，但理论无法预言它的质量。粒子物理学和宇宙学中的许多突出问题，都与“电弱对称性究竟如何破缺”这个问题密切相关。
标准模型的局限
希格斯粒子的质量决定了电弱理论的适用范围，同时也带来了另一个有趣的矛盾——级列问题。
受到20世纪70年代一系列观测结果的鼓舞，理论学家们开始认真看待标准模型，甚至开始探索它的局限性。1976年底，我和美国费米国家加速器实验室的李辉昭（Benjamin W. Lee）、目前在美国弗吉尼亚大学的哈里B 撒克（Harry B. Thacker）共同设计了一个思想实验，研究能量极高时电弱相互作用会有怎样的行为。我们设想了W、Z和希格斯玻色子发生对撞时的情景。这个思想实验似乎有点不切实际，因为当时还没有观测到其中任何一种粒子。不过，物理学家有义务假设这些粒子全都真实存在，通过这种方式对所有理论加以检验。
我们发现，这些粒子产生的作用力之间存在着微妙的相互影响。如果扩展到能量极高的情况，只有在希格斯玻色子的质量不超过1 TeV（万亿电子伏特）时，我们的计算才有意义。如果希格斯粒子的质量小于1 TeV，那么在所有的能量状态下，弱相互作用都将保持微弱状态，电弱理论也将始终有效。如果希格斯粒子的质量大于1 TeV，弱相互作用就会在万亿能标附近增强，奇异粒子的种种异象也会随之而来。找到这样一个判定条件十分有趣，因为电弱理论无法直接预言希格斯粒子的质量。这一质量临界点意味着，当LHC把我们带入万亿能标，将我们的思想实验变成现实之时，必定会有某种新发现——要么找到希格斯玻色子，要么找到一些新的物理现象。
过去的实验或许已经观察到了希格斯粒子所施加的幕后影响，这种效应是海森堡不确定性原理的另一种结果。不确定性原理暗示，希格斯玻色子之类的粒子出现的时间极短，无法被直接观测，但足以在粒子反应过程中留下可以察觉的微弱痕迹。位于欧洲原子能研究中心（CERN）的大型正负电子对撞机，曾经检测到了这只“幕后黑手”的作用，LHC所用的隧道就是大型正负电子对撞机的旧址。将精确的测量数据和理论作一个比较，结果强烈暗示希格斯粒子确实存在，而且质量不超过192 GeV。
如果希格斯粒子的质量小于1 TeV，就会引出一个有趣的矛盾。在量子理论中，质量之类的物理量并不是固定不变的，许多量子效应都会影响它们的取值。就像希格斯粒子可以对其他粒子施加幕后影响一样，其他粒子也可以对希格斯粒子施加同样影响。这些粒子在某个能量范围内施加影响，总影响程度取决于标准模型究竟在多高的能量上失效。如果标准模型在低于1012 TeV（强相互作用和电弱相互作用实现统一的能标）的能量范围内始终有效，那些具有超高能量的粒子就会作用于希格斯粒子，给它赋予远远大于1 TeV的质量。可是，为什么希格斯粒子的质量看起来会低于1 TeV呢？
这个矛盾被称为级列问题（hierarchy problem）。解决办法之一是，增加或减少不同粒子的数目，达到一个不稳定平衡，使它们的影响彼此抵消。不过，物理学家已经开始怀疑，更深次的物理学原理也许并不要求这种无限精确的相互抵消。因此，我和许多同事一样，认为希格斯玻色子和新物理现象很可能都会在LHC中现身。
［如何解决级列问题］：寻找物理学新定律
不管是什么原因让希格斯粒子的质量保持在万亿能标附近，这种解释一定会超出标准模型的范畴。理论学家提出了许多可行的解决方案，大型强子对撞机将对这些方案加以检验。以下是三种颇有前途的方案：
超对称：希格斯粒子与所谓“虚粒子”（virtual particle，夸克、轻子及其他粒子的“翻版”）的相互作用，是导致希格斯粒子质量增加的原因。不过，如果每种粒子都有一种超伴子与它配对，它们作用就会相互抵消，让希格斯粒子的质量不至于升高。
人工色模型：也许希格斯粒子不是真正的基本粒子，而是其他基本粒子的组合，就像质子由夸克和胶子组合而成一样。如此一来，希格斯粒子的质量主要将取决于那些基本粒子的能量，对那些可以增加质量的超高能过程也不会再如此敏感。
超维：如果在我们熟悉的三维以外，空间还存在其他的维度，粒子在高能情况下的相互作用可能就完全不同，大统一所需的能量可能也不像物理学家现在所认定的那么高。这样一来，超高能过程的能量将大大降低，级列问题也就不成问题了。
形形色色的奇异粒子
理论学家已经探索了许多种方法，其中一些也许可以解决级列问题。
超对称假说（supersymmetry）是主要候选理论之一。该假说认为，每个粒子都有一个尚未被发现的、自旋不同的超伴子（superpartner）。如果大自然严格遵从超对称性，粒子与超伴子的质量必定相同，它们对希格斯粒子的影响则精确抵消。果真如此的话，物理学家早就该找到超伴子了。因此，就算超对称存在，也一定是个破缺的对称。如果超伴子的质量小于1 TeV，对希格斯粒子的总影响也会小到可以接受的程度。这样一来，LHC就有可能探测到这些超伴子。
人工色模型（technicolor）是另一个候选理论。该模型假设希格斯玻色子并不是真正的基本粒子，而是由一些尚未被观测到的成分构成的。（“人工色”这一术语，是从定义强相互作用的色荷泛化而来的。）果真如此的话，希格斯粒子就拥有更复杂的内部构造。把希格斯粒子约束在一起的作用力的能量特征约为1 TeV，发生在这一能量附近的对撞，将让我们有机会窥探希格斯粒子的内部结构，从而揭露它的构成本质。和超对称假说一样，人工色模型也暗示，LHC将发现大量形态各异的奇异粒子。
第三种设想非常诱人。这种设想认为，随着我们在越来越小的尺度上展开探索，级列问题会迎刃而解，因为除了我们熟悉的三个空间维度以外，空间还存在着其他的维度。超维的存在可能会改变相互作用强度随能量的变化方式，甚至改变相互作用统一的过程。在这种情况下，相互作用的统一及新物理现象的出现，不一定要发生在1012 TeV，可能在低得多的能量上就会出现。具体低到什么程度，则与超维的尺度大小有关，甚至有可能低到只有几个TeV。这样的话，LHC也许就能一窥超维的秘密。
另外一个迹象表明，在万亿能标下会出现一些新现象。宇宙中的大部分物质由暗物质构成，而暗物质本身似乎是一类新奇的粒子。如果这种粒子的相互作用强度与弱相互作用类似，只要它的质量介于大约100 GeV到1 TeV之间，大爆炸就能产生足够数目的粒子，解释宇宙中暗物质所占的物质比例。无论如何，级列问题的解决也许能为暗物质粒子提供一个候选者。
地平线上的革命
各种加速器实验的首要目的就是，对这个新世界展开彻底探索。也许电弱对称破缺的原因、级列问题和暗物质的本质等问题，都可以在这个新世界里找到答案。即将启用的大型强子对撞机将替代目前仍在运转的万亿电子伏特正负质子对撞机。有了更加趁手的实验工具，物理学家们倍受鼓舞，找到那些问题的答案似乎也指日可待了。这些答案不仅会给粒子物理学交上一份令人满意的答卷，还将加深我们对于周边世界的理解。
不过，就算这些期待全部实现，探索之旅也远未走到尽头。LHC应该可以找到将所有作用力全部统一的线索，也能找到粒子质量遵循某种合理布局的迹象。物理学家提出的有关新粒子的任何一种解释，都会对已知粒子的某些罕见衰变产生一定的影响。揭开电弱相互作用的神秘面纱，很可能会加深我们对这些问题的理解，改变我们思考这些问题的方式，启迪我们设计未来更加强大的实验，对物理理论展开更深入的探索。
1935年，为了解释核力，物理学家汤川秀树（Hideki Yukawa）预言了π介子的存在。这种粒子后来被英国科学家塞西尔鲍威尔（Cecil Powell）发现，鲍威尔也因此获得了1950年度诺贝尔物理学奖。他采用的方法是，把高感光度的照相乳胶（photographic emulsion）放置在高山上，让它们受到宇宙线的影响而曝光。他后来回忆说：“当我取回照相乳胶，在布里斯托尔把它们冲洗出来的时候，我立刻意识到，一个全新的世界已经展现在我们面前……就像我们闯入了一个有高墙环绕的果园，果园里的果树受到精心呵护，枝叶茂盛，枝头挂满了各类已经成熟的奇异果实，而且数量众多。”这大概就是闯入万亿能标后，我们第一眼将看到的情景。
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