近日，歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(Large Hadron Collider，LHC)結束了第二個運行期(RUN2)的實驗。計劃停機兩年進行加速器和探測器升級后，于2021 年開始第三個運行期(RUN3)的科學實驗。相對第一運行期(RUN1)的7 TeV和8 TeV，在這個運行期內質子對撞的質心系能量提高到13 TeV，兩個大型通用探測器ATLAS和CMS各自獲取了積分亮度約160 fb-1的數據，專門用于底夸克實驗的LHCb 探測器獲取了6 fb-1。高能相對論重離子對撞實驗ALICE也按計劃順利運行(本文限于篇幅將不涉及相關內容)。除了實驗數據獲取，加速器專家們還在不同運行參數下試驗了LHC 的性能， 為未來升級到高亮度(HL-LHC)提供了技術準備。

LHC將人類對微觀世界的探索帶到了一個新的領地，在這里粒子物理的標準模型理論再一次取得了重大成功，迄今為止LHC上的所有實驗結果均與理論預言一致。作為其中的一個例子，圖1給出了高能質子對撞中一些過程的反應截面的測量值與理論值的比較[1]，不同過程間相差超過八個數量級，在這樣一個跨度上理論預言與實驗測量高度符合。

圖1 LHC上高能質子對撞過程的產生截面

標準模型取得巨大成功的同時，來自理論本身和天文觀測結果所帶來的問題也表明一定存在超出標準模型的新物理。LHC 實驗上發現Higgs粒子后，尋找超出標準模型的新物理現象成為當代粒子物理前沿研究的最重要目標，這也是當前和未來LHC實驗的主要科學目標。Higgs 粒子是標準模型中唯一的標量粒子(自旋角動量為0)，與電弱對稱性自發破缺和基本粒子起源等本原問題直接相關，這也意味著研究Higgs 粒子是探索超出標準新物理的重要渠道； 直接探測超出標準模型的新粒子是在LHC上探索新物理的另一重要途徑，也是兩個高能前沿實驗ATLAS 和CMS的主要科學目標； LHCb 實驗的目標則是間接發現新物理。在LHC的高能質子對撞過程中會產生大量含重夸克的強子，測量這些粒子的衰變性質可以對標準模型進行精確的實驗檢驗，從而探索新物理的跡象。LHCb實驗還可以進行強子譜等實驗研究。

ATLAS，CMS和LHCb實驗引領著當代粒子物理前沿研究，本文介紹這幾個實驗在Higgs 粒子性質研究和新物理直接尋找、重味物理和強子譜研究的近期進展情況。由于數據的處理和分析需要一定的時間才能完成，預期各實驗組基于全部RUN1 和RUN2 數據的物理分析要到2020 年前后才會陸續完成，目前已有的大都還是基于一部分數據的階段性結果。

2 Higgs 物理和新粒子尋找

精確測量Higgs 粒子屬性是LHC實驗最重要的課題。綜合ATLAS和CMS已有的測量結果，2018年的粒子表中[2]給出的Higgs粒子質量測量值為125.18 ± 0.16 GeV/c2 ，其精度已經接近千分之一。在標準模型中，Higgs 粒子的質量是一個自由參數，這個參數的精確測定顯著提高了標準模型理論的預言能力，對超出標準模型的理論給出了更強的限制[3]。另外，現有的測量結果支持實驗上發現的這個Higgs 粒子的自旋為0，CP宇稱為+，符合標準模型的預言。

關于Higgs 粒子性質研究的核心任務是測量其與其他基本粒子過程的耦合常數，由于很多新物理模型預言這些耦合常數可以偏離標準模型的預言值，相關實驗受到特別的關注。在RUN1 期間，ATLAS和CMS實驗首先觀測到了Higgs 粒子衰變到雙光子、W玻色子對和Z 玻色子對的過程， 從而證實了Higgs 粒子的存在。接下來，Higgs 粒子到τ輕子對的衰變也在RUN1 中得到了確認[4]。進入RUN2 后，隨著數據量的大幅累積，兩個實驗組先后觀測到了Higgs 粒子與t 夸克對的伴隨產生過程，并從Higgs 粒子與規范玻色子對的伴隨產生過程中觀測到了Higgs 粒子到b 夸克對的衰變。另外，兩個實驗還對Higgs 粒子到μ輕子對等稀有衰變過程進行了尋找。假設在相關的產生和衰變過程中沒有超出標準模型新物理的貢獻，這些實驗結果可以用來測量Higgs 粒子與Higgs 與夸克對、輕子對以及W和Z 規范玻色子對的耦合常數[5]，圖2 中給出了ATLAS 實驗的測量值結果與標準模型預言的比較，在實驗誤差范圍內測量結果符合標準模型預言，CMS實驗也給出了類似的結果。

圖2 Higgs 粒子與μ+μ-，τ+τ-，bbˉ，W+W-，ZZ，ttˉ 的耦合常數，數據點是實驗測量值，虛線是標準模型預言

需要指出的是，目前實驗關于耦合常數的測量結果還不是很精確，實驗誤差大都在15%以上。很多超出標準模型的新物理理論均預言這些耦合常數可能偏離標準模型預言值，但一般都不超過5%，目前的實驗精度還不足以對這些理論進行實質性的檢驗。精確測量Higgs 粒子與其他粒子的耦合強度、以及Higgs 粒子的自耦合強度，將貫穿LHC實驗的始終，同時也是下一代高能物理實驗的核心任務。

很多超出標準模型的新物理理論都預言存在標準模型以外的新粒子，這些新粒子的產生和衰變均具有明顯的特征，因此成為尋找新物理的最直接信號。從標準模型出發，新物理的理論模型有很多，為LHC上的新粒子尋找提供了豐富的素材，而實驗結果也為判別理論模型提供了最直接的證據。在眾多的理論模型中，基于超對稱的唯象模型受到了實驗較多的關注。實驗上目前沒有發現超對稱粒子的跡象，ATLAS和CMS實驗據此得出了超對稱粒子的質量下限和對一些超對稱模型參數空間的排除限[6]。雖然從實驗結果推斷這些粒子的質量下限時會強烈依賴理論模型，但大致可以說在TeV 能區沒有發現超對稱粒子，這對一些簡單的超對稱理論模型提出了一定的挑戰。在LHC實驗上，對超對稱以外的其他理論模型也進行了大量的實驗研究，與尋找超對稱模型的結果類似，目前還沒有發現超出標準模型新粒子的跡象。

3 味物理和強子譜

在ATLAS 和CMS 實驗直接尋找新物理的同時，LHCb 實驗的目標則是間接發現新物理。在LHC的高能質子對撞過程中會產生大量含重夸克(b 夸克或c 夸克)的強子，測量這些粒子的衰變性質可以對標準模型進行精確的實驗檢驗，從而發現新物理的跡象，這類探索通常被稱為味物理研究。這方面的內容非常豐富，自LHC 運行以來LHCb 進行了大量的相關測量，大大加深了我們對夸克間的轉化過程的理解。

近期最重要的結果是關于粲介子電荷—宇稱聯合變換(CP)對稱性破壞的發現[7]?；玖Ｗ舆^程中的CP 破壞現象是解釋宇宙中正反物質不對稱的關鍵一環，很多超出標準模型的新物理理論預言存在新的CP 破壞物理機制，對此類過程的精確測量是探索新物理的重要手段。之前的實驗已經確認在奇異強子(含s 夸克)和底強子(含b 夸克)的衰變過程中存在CP破壞現象，標準模型理論預期粲強子(含c夸克)的CP破壞強度遠遠低于奇異強子和底強子，實驗上的難度很大。

LHCb發現粲介子的CP破壞大約1.5 × 10-3 ，與標準模型的預期一致。首次確認粲介子中的CP破壞現象具有重要意義，相關研究可以在一個新的領域內開展。LHCb 實驗近年來在強子譜研究上頗有建樹，五夸克態、雙粲重子以及一批新的強子激發態的發現為相關研究注入了新的活力。近期最受關注的是關于五夸克態的實驗進展[8]。2015 年LHCb 發現五夸克態受到國際高能界的高度關注，但關于其性質還有很多問題有待回答。新的研究利用了迄今為止LHCb 探測器采集的所有數據。通過重新優化的事例選擇條件， Λb0 → J/ψpK-信號的接收效率又得到了顯著提高，用于這次實驗分析的數據有效統計量比2015 年時幾乎增加了一個數量級，在低統計量時無法觀測到的細致結構清晰地顯現出來：如圖3 所示，一個新的五夸克態Pc(4312)得到實驗確認，同時觀測到2015 年發現的五夸克結構Pc(4450)實際上是由兩個質量相近的共振態Pc(4440)和Pc(4457)疊加而成。

圖3 粲夸克偶素(J/ψ)和質子(p)不變質量譜中三個五夸克態信號。Λb0 → J/ψpK-事例按末態粒子相空間處的接收效率修正加權重

五夸克態的內部結構有很多的可能性，如緊束縛的五夸克態、重子—介子分子態等，當然也可能是這些量子態的疊加。LHCb 實驗發現的這三個五夸克態的寬度都很窄，質量略低于粲重子和反粲介子質量之和，有可能是粲重子和反粲介子形成的束縛態，但目前也不能排除有其他可能的解釋。對五夸克粒子結構的研究成為國際高能物理研究的前沿，為探索強相互作用非微擾性質打開了一個新窗口。

4 總結和展望

自2010年LHC正式運行以來成果豐碩，Higgs粒子的發現使標準模型得到確立的同時，又開啟了尋找超出標準模型新物理的科學前沿。迄今為止，LHC的實驗結果均符合標準模型的理論預言。值得注意的是，LHC目前獲取的數據量還只是計劃中的5%，其中大量用于物理分析的只是1%，LHC實驗還僅僅處于起步階段，相信在未來20 年間LHC上的實驗會不斷地將高能前沿研究引向深入。

LHC 的建成使高能物理的實驗前沿達到了TeV 能區，這相當于對微觀世界的探索達到了10-18米，人類對自然界的探索到達了一個全新的領域，這也是LHC的最重要的意義。LHC也許只能讓粒子物理的探索前進一小步，但這無疑是人類文明史上的一大步。