在阿尔卑斯山深处的地下，科学家们几乎无法抑制他们的兴​​奋。

他们低声谈论将彻底改变我们对宇宙的理解的发现。

“只要我还是一名粒子物理学家，我就一直在寻找第五种力，”山姆·哈珀博士说。“也许这是今年”。

在过去的 20 年中，Sam 一直在努力寻找第五种自然力的证据，其中引力、电磁力和两种核力是物理学家已经知道的四种。

他寄希望于大型强子对撞机的重大改造。它是世界上最先进的粒子加速器——一台巨大的机器，可以将原子粉碎在一起，将它们分开并发现它们内部的东西。

在为期三年的升级中，它得到了进一步的加强。它的仪器更灵敏，使研究人员能够以更高的分辨率研究来自原子内部的粒子碰撞；它的软件得到了增强，使其能够以每秒 3000 万次的速度获取数据；并且它的光束更窄，这大大增加了碰撞的次数。

这一切意味着，现在 LHC 有最好的机会找到对科学来说全新的亚原子粒子。希望它能够做出能够引发一百年来物理学最大革命的发现。

除了相信他们可能会发现一种新的第五种自然力量外，研究人员还希望找到一种无形物质的证据，这种物质构成了宇宙的大部分，称为暗物质。

这里的研究人员面临着交付的压力。许多人曾预计大型强子对撞机现在已经找到了新物理领域的证据。

LHC 是欧洲核子研究组织 (Cern) 的一部分，位于日内瓦郊外的瑞士和法国边境。靠近时，它似乎是一个不起眼的综合体——由 1950 年代办公楼和宿舍组成的街区，横跨两平方英里的修剪整齐的草坪和以受人尊敬的物理学家命名的蜿蜒道路。

但在地下 100 米处，它是一座科学大教堂。我能够进入大型强子对撞机的核心，到达我们这一代最大发现之一的巨型探测器之一希格斯玻色子，这是一种亚原子粒子，没有它我们所知道的许多其他粒子将没有质量. Atlas探测器长46m，高25m。它是 LHC 的四种分析 LHC 产生的粒子的仪器之一。

它由 7,000 吨金属、硅、电子产品和电线组成，错综复杂且精确地组合在一起。这是一件非常美丽的事情。“陛下”是伦敦玛丽女王大学的 Marcella Bona 博士使用的词，她是使用 Atlas 探测器进行实验的科学家之一。

我对这个观点感到震惊，因为马塞拉告诉我在大型强子对撞机关闭三年期间对探测器的改进。

“就我们的实验检测、收集和分析数据的能力而言，它会好两到三倍，”她告诉我。“整个实验链都升级了。”

在工程师完成阿特拉斯的翻新工程的叮当声和砰砰声中，我很难想象需要这么大的东西来检测比原子小很多倍的粒子。

LHC 有四个这样的探测器，每个探测器都进行不同的实验。就在这些巨大探测器的中心，在原子核心中发现的质子粒子在围绕 17 英里的圆周环以接近光速的速度加速后碰撞在一起。

碰撞会产生更小的粒子，它们会朝不同的方向飞去。它们的路径和能量由探测器系统跟踪，正是这条轨迹告诉科学家它是哪种粒子，就像从动物的足迹中确定动物的物种和特征一样。

几乎所有由碰撞产生的较小粒子都是科学已知的。这里的物理学家所追求的是新粒子的证据，这些粒子可能来自碰撞，但被认为极少产生。

物理学家认为，正是这些未被发现的粒子掌握着开启全新宇宙观的钥匙。他们的发现将创造自爱因斯坦相对论以来物理学思想的最大转变。

工程师们在过去三年中一直在升级大型强子对撞机，以便在更短的时间内产生更多的碰撞。翻新的机器有更大的机会创造和发现很少创造的新粒子。大部分工作由 Rhodri Jones 博士领导，他为自己的“梁头”头衔感到高兴。

我在 Cern 的磁体组装区遇到了 Rhodri，它类似于一个巨大的飞机机库。在这里，工程师们正在改造 15 米长的圆柱形磁铁，这些磁铁可以弯曲加速器周围的粒子束。这是绝对没有错误余地的精密工作。

Rhodri 告诉我，他的团队已经使光束变窄，以便将更多的粒子挤入更小的区域。这大大增加了粒子相互碰撞的机会。

“我们正在研究非常罕见的过程，因此碰撞次数越多，实际发现正在发生的事情并看到小异常的机会就越大，”他说。

“光束的改进意味着，对于我们自 LHC 投入运行以来所做的所有物理工作，我们将能够在未来三年内获得与我们在那十年。”

另一个重大改进是捕获和处理来自碰撞的数据。在翻新的 LHC 中，数据从四个探测器中的每一个以每秒 3000 万次的起泡速度收集。当然，这对于人类的大脑来说太过分了，但是任何一次碰撞都可能包含科学家正在寻找的新粒子之一存在的关键证据。

LHC 的软件已经升级，可以自动搜索所有收集的数据，并使用最新的人工智能技术，识别并保存科学家可能感兴趣的读数进行分析。

当前的亚原子物理学理论被称为标准模型。尽管它有一个缺乏想象力的名字，但该理论在解释亚原子粒子如何聚集在一起形成构成我们周围世界的原子方面非常出色。标准模型还解释了粒子如何通过自然力相互作用，例如电磁力和将原子组成部分结合在一起的核力。

但标准模型无法解释引力是如何运作的，也无法解释宇宙中不可见部分（物理学家称之为暗物质和暗能量）的行为方式。科学家们知道这些不可见的粒子和力量是由于星系在太空中的运动而存在的——它们共同构成了宇宙的 95%。但目前还没有人能够证明它们的存在并确定它们是什么。

大型强子对撞机的建造是为了探测这些粒子，这些粒子可能解释了大部分宇宙是如何运作的。Marcella Bona 博士告诉我，现在确实有希望通过升级来实现这一目标。

“这是一个非常激动人心的时刻，”她笑着说。“过去三年我们一直在努力更新机器。现在我们准备好了。”

从我遇见她的那一刻起，Marcella 就充满了激情。但是当我问她发现暗物质粒子是否会是物理学中最大的发现之一时，她的热情又上升了一个层次。

“我会说是的，”她笑着说，眼睛睁大了，“是的，绝对是，那将是不可思议的，”她说，让自己暂时陶醉于未来几个月发生的真实前景。

同样兴奋的是山姆·哈珀博士，这位科学家在过去的二十年里一直在寻找自然的“第五种力量”。他在 LHC 的四个探测器中的另一个工作，称为 CMS，位于 Cern 综合体的另一端。

大型强子对撞机在为改造而关闭之前的结果以及来自世界各地其他几个粒子加速器的结果已经发现了第五种力量的诱人暗示。但有了大型强子对撞机的额外力量，山姆告诉我他的科学探索可能很快就会结束。

就像 Marcella 一样，当他大声说出在科学界无法正式说出的内容时，他声音中的兴奋感会增强，除非有确凿的证据。

“这将颠覆这个领域。这将是大型强子对撞机的最大发现，也是粒子物理学中最大的发现，因为……”

山姆停顿了一下，努力寻找单词。

“它会比希格斯粒子更大”。

Cern 将在今年晚些时候庆祝发现希格斯玻色子十周年。但庆祝活动引起了人们的注意，公共资助的价值 36 亿英镑的大型强子对撞机，其年成本为 11 亿英镑，从那以后就没有真正的重大发现。许多人曾希望，有些人曾期望，最强大的粒子加速器现在已经发现了暗能量、第五种力或其他范式转换粒子。

研究人员在未来几年获得的结果有很多依赖，因为 Cern 很快就会提出更大的强子对撞机的建议。最雄心勃勃的计划，称为未来圆形对撞机 (FCC)，将有一个周长为 60 英里的圆环，将穿过日内瓦湖。

FCC 可能耗资约 200 亿英镑。目前的机器至少还有十年的时间，还有更多的升级，这将使它更有魅力去尝试发现将永远改变物理学的粒子。但是，欧洲核子研究中心的科学领导者将很快为下一阶段的粒子物理实验展示他们的案例。如果最新的升级在未来两到三年内甚至无法发现新粒子的迹象，说服成员国政府承诺大幅增加资金将更加困难。

山姆·哈珀博士承认，当大型强子对撞机开始下一组实验时，他感到“有点害怕”。

“我们拼命地试图把所有东西放在一起，我们正在努力确保我们不会错过任何可能的新物理。因为世界上最糟糕的事情是新物理就在那里，我们找不到它。”

但压倒山姆恐惧的是对未来几年的强烈兴奋。

“驱动所有粒子物理学家的是，我们想要发现未知，这就是为什么像第五力和暗物质这样的东西如此令人兴奋，因为我们不知道它可能是什么，也不知道它是否存在，我们真的想找到这个出来。”

本月早些时候，费米实验室（美国的大型强子对撞机）的研究人员发现了标准模型中可能出现的第一个裂缝。在接下来的几个月和几年里，大型强子对撞机的研究人员将寻求确认他们的结果，并在当前理论中发现更多的裂痕，直到它崩溃，为一个新的、统一的和更完整的宇宙运作理论让路。