大型强子对撞机是粒子物理科学家为了探索新的粒子，和微观量化粒子的‘新物理’机制设备，是一种将质子加速对撞的高能物理设备。
你手里的零食是由什么做的？都有哪些配料！这个饮料的成分的是啥？生活中我们很喜欢问这样的问题，就跟问，一个东西是怎么来的一样频繁。但科学家想问：宇宙是有什么构成的？它的成分是啥？这样的问题也合情合理，但想回答这个问题，难度颇高。我们需要借助一台人类史上最强大的机器，大型强子对撞机。今天就聊下这台机器是怎样研究宇宙的基本成分的？以及它目前在寻找什么？
当我们涉及到揭示宇宙本身是由什么构成的时候，在基本的层面上，我们一贯的思想都是认为：解决这个问题的方法就是直接了当、简单粗暴的把物质分解成越来越小的碎片。其实事实也基本上就是这样的，当我们分解物质时，其内部有非常小的组成部分：首先物质由分子构成，而分子又是由原子构成，原子可以分解成原子核和电子，然后夸克和胶子组成原子核。
你会发现标准模型中，甚至宇宙中还有其他的基本粒子根本不存在于构成我们的物质中。但值得庆幸的是，我们可以通过了一种方法，利用爱因斯坦的E = mc^2，制造出宇宙中任何可能存在的基本粒子。只要在时空的一个区域聚集足够的能量，就可以制造宇宙所允许的任何物质。言外之意，就是只要能量够劲，就算是宇宙诞生初期创造出的一些奇异粒子，我们也可以创造出来。
这正是粒子加速器和大型强子对撞机（LHC）近一个世纪以来一直在做的事情。2013年大型强子对撞机在发现'上帝粒子'以后，停机维护升级，两年后又重启在更高的能量段继续运行，希望解决超对称粒子的问题，2019年又停机升级，预计会在2021年重启，这样来回折腾只有一个目的就是撞出更高的能量。把我们对宇宙中可能发生的事情的理解提升到前所未有的高度。粒子对撞机研究宇宙基本成分，只需五个简单的步骤。
一切都与能量有关。
著名的E = mc^2方程中的E，就是它的意义所在。可用的能量越多，产生的粒子质量就越大。（因为光速c是一个常数，所以E越大意味着m越大。）因此我们的目标不是将单个粒子分裂成更小的实体，而是创造一个包含尽可能多的能量事件或单一的相互作用点。
在理论上其实很简单，我们可以（或将要）制造什么样的粒子，只受受限于我们创造它们的能量。所以我们一直在努力，在一个单一的相互作用点上达到最高的能量；这就是我们的目标。LHC是怎么做到的？
把两个大质量的基本粒子加速到最高的能量。
这意味着我们需要使用基本粒子来获得高能量：要么是电子，要么是质子内部的夸克和胶子。当我们讨论一个具有一定能量的“事件”的时候，说的是两个基本粒子相互作用产生新粒子的能量。
在大型强子对撞机内部，获得能量的方法是加速两个带电粒子（两个质子）让其尽可能接近光速。顺时针和逆时针各发射一个，然后让它们相互碰撞，得到最大的能量。如果我们想让一个带电粒子接近光速，只需要考虑三件事：
粒子穿过的加速环有多大？（越大越好）
加速和弯曲带电粒子的磁场有多强？（越强越好)
最后一点很重要，带电子粒子在磁场中环形加速会发出电磁辐射，并损失能量。因此我们需要考虑，粒子在磁场中损失能量的速度超过粒子所能加速的速度之前，粒子能以多快的速度运动？（这跟粒子的质量，环的磁场和粒子横截面有关。）
大型强子对撞机使用的加速环是迄今为止最大的，周长约27公里，它也拥有迄今为止最强的电磁体。尽管质子是符合粒子，这意味着能量会在三个夸克和不确定数量的胶子（和“海夸克”）之间的分裂，但更大的质量意味着它们能比电子（只有质子质量的1/1836）在发出极限辐射之前达到更高的能量。简单的说，就是质子相对于电子不易发出电磁辐射，所能获得的能量更高。
在LHC之前的大型正负电子对撞机LEP中，它的能量达到了114 GeV， GeV是十亿电子伏特（10^9 eV）。费米实验室（之前的能量记录保持者）在2tev（万亿电子伏，或10^12 eV）的能量下进行了质子/反质子碰撞，而LHC在第一次运行中就达到了7tev的质子-质子碰撞，后来又在13tev条件下打破了能量记录。
但能量并不能让我们得到一切！
我们还必须探测到碰撞所产生的一切可能的粒子，才能准确地重现所创造的东西。
对撞机中互相对射的大多数粒子都不会命中，因为质子非常小，直径只有10^-15米。但是当它们真的撞在一起时，其产生的效果非常混乱！
夸克无处不在，导致高能粒子喷射，新粒子同时在一片混乱中被创造了出来，但是几乎所有创造的“新奇”的粒子都会在极小极小的瞬间发生衰变。
因此，我们没有别的办法，只能快速的检测所有产生的东西，包括它们的电荷、能量、动量、质量等等的性质，然后试着重建在碰撞点所创造的物质。
在技术上来说，这是一项不可思议的任务，我们需要把十来辆大巴车大小的探测器链接在一起，为的就是把质子大小的物质碎片拼凑起来！对于获取数据来说，这也是一项非常艰巨的任务，因为在对撞机中碰撞非常频繁，但我们只记录大约百万分之一的碰撞数据，这意味着要扔掉99.9999%的数据。因此我们有一套标准数据库作为比对的，这样就能丢弃“已知”的物质数据，如果发现某些数据在数据库中没有匹配到，就会保存这些数据，这有可能就是新的物质。
所以我们建造这些巨大的机器，制造碰撞，记录数据，然后分析。那么我们在找什么？
将获得的整体数据与我们预期的宇宙数据进行比较。
上图是基本粒子的标准模型。这些粒子中的每一个都是通过实验发现的，都是通过某种手段或方法直接探测到的。最后一个发现的粒子是希格斯玻色子，它是在2012年LHC第一次运行时发现的。
问题是，这些粒子中的每一个（基于电磁相互作用、弱和强相互作用）都应该以特定的、已知的方式与所有其他的粒子相互作用（和衰变）。标准模型对粒子的相互作用和性质的预测非常明确，所以当我们测量每一个粒子性质时，实际上是在测试我们最基本的自然法则。现在，标准模型的理论与我们所有的观察完全一致（即在实验范围内）。
但仍有一些物理学目前无法解释的难题，包括：
为什么中微子的质量小而非零？标准模型预测其无质量，因此可能存在其他尚未发现的粒子赋予了中微子质量。
为什么我们在弱而非强的相互作用中看到了cp违反？缺乏强cp对称破缺
为什么粒子的质量都比普朗克质量小这么多？（4.341 微克）预测可能标准模型中的粒子可能存在超对称伙伴粒子。
为什么宇宙中物质多于反物质？
所有的问题有预示着标准模型不完善，或有新的粒子，或者有新的相互作用，或有额外的维度。这些问题的答案可能在很一段时间内仍是一个谜。但大型强子对撞机也可能发现它们！这就引出了最后的，也是最激动人心的一点……
大型强子对撞机正在探索未知领域，为我们的宇宙图景寻找新的、基本的组成部分。
如果暗物质的静止质量低于1tev，那么 LHC应该能看到它的确凿信号。如果超对称性（SUSY）是粒子的质量远小于普朗克尺度的原因，那么我们至少应该在LHC中可以找到一个SUSY粒子。如果希格斯粒子不止一个，LHC应该至少还能找到其中一个。如果物质/反物质不对称性的关键在于电弱物理，那么大型强子对撞机（LHC）应该会发现这一点。
现在看来，我们人类目前的高能物理，以及宇宙学真的都寄希望于大型粒子对撞机，没有它，我们根本无从研究目前尚未解决的问题。
我们看不到大爆炸时宇宙发生了什么，但我们可以在对撞机中创造大爆炸。这个过程其实是一样的，但这需要更大的能量，已经更大的投资。现代的物理学比我们人类迄今所想象的更加复杂和令人困惑。也就是说，并不是21世纪的科学没有20世纪那么光彩夺目，而是太难了！
这就是大型强子对撞机正在做的事情，它是如何做的，以及它在寻找什么！
