7月，大型強(qiáng)子對撞機(jī)首次用氧氣撞擊粒子，這次又有什么發(fā)現(xiàn)？

2025年夏天，歐洲熱得發(fā)瘋。熱浪翻滾，連地下地鐵站的空氣都能燙腳。可就在這片看似沉悶的土地下面，一群科學(xué)家正在給宇宙做呼吸實(shí)驗(yàn)。

他們不是環(huán)保主義者，也不是開空調(diào)的工程師，他們是粒子物理學(xué)家，住在地球最深處的一個秘密隧道里。

這條隧道不長不短，剛好27公里，圓的，埋在法國和瑞士交界處。它的名字叫大型強(qiáng)子對撞機(jī)，也就是LHC。

如果你覺得這個名字聽起來有點(diǎn)熟，那大概是因?yàn)樗?012年轟動全球，撞出一個叫“上帝粒子”的玩意兒，學(xué)名叫希格斯。

那一撞，像是粒子物理的高光時刻。可惜過了十幾年，大眾以為這機(jī)器就此封神隱退。其實(shí)它一直在干活，只是干的是沒人聽得懂的硬核活，比如這一次，他們要拿氧氣來撞。

對，就是那個你每天吸進(jìn)肺里的氧氣。

這不是在凈化空氣，也不是在做化學(xué)實(shí)驗(yàn)。LHC要做的，是把氧離子加速到接近光速，然后讓它撞向一束質(zhì)子。接下來幾天，他們還會安排氧撞氧，甚至安排氖撞氖。聽起來像是高中化學(xué)復(fù)習(xí)現(xiàn)場，但真相比這復(fù)雜得多。

這一次，不是重頭戲，卻可能是關(guān)鍵一戰(zhàn)。

以前，LHC最常用的武器是兩種，一種是輕的質(zhì)子，一種是重的鉛離子。一個速度快、干凈利落，另一個體積大、撞得猛。但它們都有各自的短板。質(zhì)子撞擊后生成的粒子太少，有時還不夠看清內(nèi)部結(jié)構(gòu)。鉛則剛好相反，撞完一團(tuán)漿糊，粒子太多，場面太亂。

科學(xué)家開始意識到，他們錯過了一個“中間地帶”。

氧，就卡在這兩個極端之間，不輕不重，干凈但有力。它像是一塊剛好合適的探針，可能正好揭開那些長期模糊不清的謎團(tuán)，比如夸克之間到底是怎么交互的，夸克膠子等離子體在輕中重質(zhì)量下的行為是否一致，或者，在更高的碰撞溫度下，會不會出現(xiàn)一些被掩蓋的物理現(xiàn)象。

這個看似簡單的決定，其實(shí)醞釀了六年。

早在2019年，歐洲核子研究中心就開始評估氧離子的可行性。當(dāng)時沒人當(dāng)回事，甚至覺得不如多撞幾次鉛。但有些想法就像草叢里的火星子，一旦點(diǎn)燃，終究會蔓延。

2025年4月，氧離子第一次被成功加速。那一刻開始，整條加速鏈條就像啟動了一場儀式。從Linac3開始，氧離子被一點(diǎn)點(diǎn)推進(jìn)，每一段加速器都像是它的成長之路。低能離子環(huán)、質(zhì)子同步加速器、超質(zhì)子同步加速器，最終送它登上LHC的主舞臺。

整個過程堪比一場嚴(yán)格的選拔考試，每一步都得重新校準(zhǔn)。因?yàn)檠醯摹靶愿瘛辈煌暮少|(zhì)比與質(zhì)子差異明顯，同樣的磁場作用在它身上，結(jié)果會偏移軌道。你不能讓它按質(zhì)子那套走，它會跑偏，會拐彎，會錯過撞擊點(diǎn)。

而最困難的，是讓氧和質(zhì)子相撞。

這不是兩個直男對著干的簡單事。由于它們電荷和質(zhì)量不同，同樣的加速條件下，它們轉(zhuǎn)圈的頻率也不一樣。就像你用一輛跑車和一輛三輪車在賽道上飆車，要讓它們每一圈都在同一個彎道匯合碰撞，難度堪比宇宙級別的高鐵追尾。

科學(xué)家們只能一點(diǎn)一點(diǎn)地調(diào)。頻率調(diào)了，磁場也得調(diào)；磁場調(diào)了，束流軌道又得重新算。最終，他們硬是把這對物理屬性天差地別的“組合”穩(wěn)定在LHC的四大實(shí)驗(yàn)點(diǎn)：ALICE、ATLAS、CMS和LHCb。每一束光，每一次撞擊，都是高精度下的奇跡。

如果你覺得這個操作純粹是科學(xué)家玩得太嗨，那你就小看了他們的耐心與野心。

這次實(shí)驗(yàn)的真正意義，不只是多了幾種撞擊組合，而是打開了過去未被探索的物理區(qū)域。這個區(qū)域，不屬于傳統(tǒng)的“輕”也不屬于“重”，它是一個曾經(jīng)被忽視的灰?guī)А５嬲P(guān)鍵的突破，就藏在這些“沒人想去碰”的地方。

氧–氧碰撞，不是圖個新鮮，而是為了看清楚我們曾以為已經(jīng)了解的基本物理。如果這次能成功捕捉到那些在重離子撞擊中模糊的細(xì)節(jié)，整個強(qiáng)相互作用的理論框架就能向前推進(jìn)一大步。

如果你仔細(xì)去看LHC的時間表，會發(fā)現(xiàn)這次的實(shí)驗(yàn)其實(shí)不止氧撞質(zhì)子，還有接下來的氧撞氧、氖撞氖，每種組合時間都有限，像是在舞臺上排演一場快閃劇目。

這一切不是因?yàn)樗麄儾幌攵嘧矌状危琴Y源太緊張，機(jī)會太珍貴。你要調(diào)動全世界最復(fù)雜的加速器系統(tǒng)，就得壓縮每一秒成本。而這幾次碰撞，每一次都是第一次，每一次都可能寫進(jìn)教科書。

最先登場的是“質(zhì)子–氧”對撞，這是目前難度最大的版本。

你可以把它想象成一場跨界合作：一個是地球最常見的輕粒子，一個是生命代謝的關(guān)鍵元素，兩者都很熟悉，卻從沒被安排在對撞機(jī)中正面相遇。像是兩位老演員第一次同臺，不知道會不會互相搶戲，或者擦出新的火花。

但這一碰撞，問題就來了。

LHC是為質(zhì)子和重離子而生的，它的每一個參數(shù)，每一根磁體，都是按這些“主角”定制的。氧作為新來的，調(diào)皮得很。你想讓它乖乖走直線，它偏偏要拋個弧度。你調(diào)磁場，它變頻率；你壓頻率，它又調(diào)相位。像是跟一個情緒化的搭檔演戲，你得時刻揣摩它下一步要干嘛。

科學(xué)家們?yōu)榇瞬坏貌皇謩诱{(diào)節(jié)每一個環(huán)節(jié)。尤其是轉(zhuǎn)速和軌道對準(zhǔn)這塊，要確保氧和質(zhì)子在每一圈轉(zhuǎn)動時都能在實(shí)驗(yàn)點(diǎn)碰頭，哪怕只差幾毫米，就會錯過最佳撞擊時機(jī)，整場戲都白演。

有人可能會問，值得嗎？從科學(xué)的角度看，絕對值得。

這種異種粒子碰撞，其實(shí)模擬的是宇宙射線撞擊地球高空的過程。你可能不知道，太空中無時無刻不有粒子以接近光速撞擊地球的大氣層，那些來自超新星或黑洞邊緣的高能粒子，大多數(shù)就是和大氣中的氧、氮、氖原子產(chǎn)生相互作用。

所以這次實(shí)驗(yàn)，并不只是為了滿足好奇心，而是為了讓我們在地球上復(fù)刻那些高空碰撞現(xiàn)場，去理解那些從宇宙深處來的信號。你可以說，這是科學(xué)家們在重建太空的語言系統(tǒng)。

然而實(shí)驗(yàn)并不總是理想的。

一個叫Roderik Bruce的LHC離子束專家，幾乎每天都泡在數(shù)據(jù)間里盯著屏幕。氧撞質(zhì)子的那兩天，他說得最多的一句話是：“它們又錯位了。”

即便花了幾個月調(diào)試，碰撞點(diǎn)依然不穩(wěn)定。為什么？因?yàn)檠蹼x子和質(zhì)子的荷質(zhì)比不同，在加速過程中的響應(yīng)完全不一樣。你調(diào)整一個參數(shù)，它們兩個會朝不同方向偏移。

這就像你讓兩個喝醉的人同時走直線，結(jié)果一個左晃一個右歪，還總在拐角失聯(lián)。

最糟糕的是，撞擊不是一勞永逸的。就算這一次對準(zhǔn)了，轉(zhuǎn)上幾圈后，受環(huán)境微擾、溫度變化、電場擾動影響，碰撞點(diǎn)又會偏離。工程師們只能實(shí)時監(jiān)測，再次校準(zhǔn)。有時候，一束氧要調(diào)三次，才能在幾十分鐘里維持有效對撞。

更麻煩的還在后頭。

氧離子每次撞擊之后，都會產(chǎn)生大量次級粒子，這本是科學(xué)家期待的信號源。但問題是，其中有一些粒子的荷質(zhì)比跟氧幾乎一模一樣，系統(tǒng)根本無法一眼分辨。這些“偽裝者”混進(jìn)了束流，就像有人往你的精密試驗(yàn)中偷偷塞進(jìn)了贗品。

這個現(xiàn)象，科學(xué)家叫它“束流污染”。

也就是說，實(shí)驗(yàn)越做，氧束可能就越“不純”。這些混進(jìn)來的次級離子，會在之后的每一圈中繼續(xù)干擾數(shù)據(jù)，干擾碰撞軌跡，甚至改變原本設(shè)定的能量分布。

所以每次運(yùn)行幾小時后，科學(xué)家就必須“清場”。他們把整個氧束從系統(tǒng)中驅(qū)逐，再重新注入一束“新鮮氧”。這不是浪費(fèi)，而是為了讓接下來的每一個碰撞都干凈利落，不被偽信號污染。

有點(diǎn)像是開一局游戲，地圖越來越亂，怪物越來越多，你必須退出重開，才能打出真正有價(jià)值的戰(zhàn)績。

但這場氧之戰(zhàn)并不只屬于四大實(shí)驗(yàn)組。

在LHC的角落里，還有一個小型但重要的實(shí)驗(yàn)：LHCf。這是專門用來研究宇宙射線的一個項(xiàng)目，它的位置很特別，就裝在距離ATLAS主實(shí)驗(yàn)點(diǎn)140米遠(yuǎn)的地方，負(fù)責(zé)捕捉撞擊后角度極小、能量極高的粒子。

這次它也提前裝上了專用探測器，專門配合質(zhì)子–氧的撞擊。為什么？因?yàn)長HCf想要模擬的，就是那些來自外太空的高能粒子跟大氣分子的第一次碰撞過程，而這個場景，在質(zhì)子–氧撞擊中剛好可以復(fù)刻。

等質(zhì)子–氧階段結(jié)束，LHCf的探測器就會被取下，換上另一個能測能量沉積的“量熱器”。這將在氧–氧與氖–氖碰撞階段登場，用來分析重離子之間的能量分布情況。

這就像是主角在臺上熱舞，臺下的配角也在默默接球。整個LHC不是一個劇組，而是一個聯(lián)合艦隊(duì)，每一個實(shí)驗(yàn)組都在試圖從不同角度理解撞擊的意義。

等氧完成任務(wù)，氖就要登場了。

氖的原子量比氧還輕，反應(yīng)也更敏感。但它同樣廣泛存在于大氣之中，是宇宙射線常見的碰撞對象。科學(xué)家對它寄予厚望，希望通過它來進(jìn)一步厘清“輕離子–輕離子”之間是否也會形成小范圍夸克膠子等離子體。

這個問題聽起來專業(yè)，但其實(shí)很關(guān)鍵。

過去幾十年，大家普遍認(rèn)為，夸克–膠子等離子體只在重離子碰撞中才會產(chǎn)生。但最近幾年，隨著質(zhì)子–鉛、質(zhì)子–質(zhì)子實(shí)驗(yàn)精度提高，居然也看出了“類等離子”的行為特征。

這讓科學(xué)界感到震驚：原來連小粒子撞小粒子，也可能復(fù)現(xiàn)早期宇宙的行為？

于是這次安排氖–氖，正是為了驗(yàn)證一個核心問題——夸克–膠子等離子體的形成是否有一個“最低門檻”？還是說，它其實(shí)比我們以為的更容易出現(xiàn)？

這是LHC正在嘗試解答的新問題，而答案，就藏在這些看似冷門、實(shí)則破局的小實(shí)驗(yàn)里。

參考來源：

• Ana?s Schaeffer, CERN.First-ever collisions of oxygen at the Large Hadron Collider. Phys.org, 2025.
  https://phys.org/news/2025-06-first-ever-collisions-oxygen-large-hadron.html