世界是由什麼構成的？早在古希臘時代這個問題就很“熱門”
探索自然世界的構成
在公元前600年的古希臘時代，“自然世界的構成”是一個熱門話題。
古希臘哲學家試圖用理性思維來理解肉眼觀察到的自然迴圈和變化，如為什麼水會變成冰，為什麼空氣凝結會變成水等等。米利特有三位哲學家：泰勒斯、安尼斯孟德和阿納提姆，他們相信自然界的一切事物，儘管看起來是變化的，但一定是由一種基本的物質構成的。這三者對單一的基本物質持有不同的觀點。
一百年後，德謨克利特提出了唯物主義：一切都是由一個微小的、不可分割的組成部分，他稱之為原子。因為沒有任何東西來自虛無，大自然的基石必須是永恆的。所有的原子都是堅硬的固體，但它們並不完全相同。自然界是由無數形狀各異的原子組成的。德謨克利特不相信在自然界的變化過程中存在任何力量或靈魂。自然界的一切都是相當機械化的，一切都遵守必要的規則。
雖然這些希臘哲學家的思想非常簡單和美麗，但他們沒有實驗基礎。2000多年後，俄羅斯科學家門捷列夫開創了化學元素週期表，安排原子發現當時根據他們的原子量，和觀察，這些原子的化學性質可以簡化和分組，表明原子由更小的基本粒子。經過50多年的實驗和理論的相互作用，物理學家建立了今天量子物理的標準模型。
在標準模型中，基本粒子包括夸克、輕子和作用體。有六種夸克六種輕子和它們的反粒子上夸克，下夸克，迷人夸克，奇夸克，上夸克，下夸克，電子，殘餘物，陶茲，電子中微子，中微子和中微子。四種作用體負責基本相互作用力的傳遞：光子負責電磁力，膠子負責強作用力，Z玻色子和W玻色子負責弱作用力。
夸克或輕子不直接通訊。相反，它們透過像郵遞員一樣的演員彼此交流和互動。傳輸的資訊的強度取決於粒子的電荷和力常數。夸克可以接收這四種作用體的資訊，因為它們具有電磁電荷、色電荷和弱電荷。輕量化不帶色彩電荷，因此無法接收膠子資訊（不參與強力）。值得一提的是，中微子只有微弱的電荷，只能感受到微弱的力，因此被稱為“鬼粒子”。
在電磁力中，強的力和弱的力，無疑，最容易感覺到和熟悉的是電磁力。正電核和負電電子透過光子相互吸引並結合形成原子；雖然原子是電中性的，但是兩個非常接近的原子就像兩個電偶極子一樣相互吸引，這就叫做範德華力。原子群是由分子透過範德華力成鍵而組成的。電磁力決定原子和分子的化學性質。類似地，有色帶電夸克（或反夸克）透過膠子與有色中性介子或重子結合；你所熟悉的質子和中子是許多上夸克和下夸克排列組合中最輕、最穩定的重子。質子和中子就像顏色的偶極子一樣，相互吸引形成原子核。弱力量4到6個數量級小於部隊和電磁力強勁，但他們實際上是地球上生命的起源：弱力量在陽光下氫轉化為氦經過一系列的反應，釋放光和熱，和放射性衰變產物用於癌症治療等醫療目的。
注意！當粒子被稱為基本粒子時，就意味著我們認為粒子不能再被分割，沒有內部結構。然而，不像我們的直覺認為基本粒子是不可變的，它們可以透過電磁或弱力衰減到其他較輕的基本粒子，儘管它們不能被分離。在標準模型中，只有第一代粒子構成穩定的物質，而其他粒子則構成壽命較短的物質（重子或介子），最終衰變為第一代粒子或作用體。
當前量子物理學的主題
對於“自然世界是由什麼構成的”這個問題，量子物理的標準模型雖然給了我們最接近真實世界的答案，但它並不是最理想和最完整的答案。許多問題仍未得到解答。這裡有幾個例子。
今天的物理學家和希臘哲學家有一個共同的信念，即自然可以由少量的規則決定，但標準模型中的基本粒子的數量似乎要大一些。這是否意味著夸克和輕子不是基本粒子，它們只是低能基本粒子的一面和兩面？或者可能有很多基本粒子，我們還沒有找到所有的夸克和輕子？細心的讀者應該能夠發現，引力還沒有包括在標準模型中。還有另一個重子嗎？此外，這些基本粒子的質量範圍非常廣：有比電子輕的中微子，有質量是質子質量184倍的頂夸克，質量比質子低11個數量級。為什麼這些基本粒子有質量？在光化子中，光子和膠子沒有質量，但是為什麼W玻色子和Z玻色子的質量分別是質子的86倍和97倍呢？是因為它們與希格斯粒子的相互作用嗎？那麼為什麼我們還沒有發現希格斯粒子呢？在宇宙大爆炸的時候，據估計正粒子和反粒子的數量是相等的。為什麼自然界中穩定的物質現在是由正粒子組成的？我們只能在實驗室的產品中看到反粒子？
為了找到這些問題的答案，物理學家設計了一些實驗來理解這些基本粒子的性質。在標準模型中，大多數粒子不可能穩定存在，但物理學家可以在更簡單的實驗室環境中製造它們，然後用相機式的探測器記錄這些粒子或其衰變產物的軌跡，然後用計算機分析資料。
為了製造更輕的粒子或它們的反粒子，高速的電子或質子可以與金屬靶碰撞，然後過濾掉不需要的產物，這就是目標設定實驗。在美國布魯克海文實驗室、斯坦福直線加速器中心和費米高能實驗室的目標設定實驗中發現了迷人夸克和底夸克。但量子物理學家不僅想知道基本粒子的性質，還想發現希格斯粒子和標準模型之外的新粒子。大多數未發現的新粒子質量都很高，可能是質子質量的數百甚至數千倍。但是目標設定實驗的缺點是不可能將整個系統的能量100%轉化成質量來產生粒子。由於在所有的衝擊中都必須保持動量守恆，所以系統的一部分能量必須貢獻給撞擊目標後的產物的動能，所以撞擊後的產物的總動量等於發射體在撞擊前的動量。
相反，對撞機實驗用兩個能量相同但動量相反的質子或電子進行碰撞，在靜止狀態下就能產生高質量的新粒子。也就是說，所有碰撞器的能量都轉化為質量。在歐洲核研究中心和美國費米高能實驗室的質子反質子對撞機實驗中發現了高質量的W玻色子、Z玻色子和top夸克。
今天最具能量的對撞機是大型強子對撞機（LHC），它經常出現在新聞報道中，位於瑞士日內瓦郊區的歐洲核子研究中心。
大型強子對撞機
LHC是一個圓形加速器，位於地下100米，周長26。7公里。它由一系列諧振器、1232偶極超導磁體和392四極磁體組成。電場的作用是加速帶電粒子，磁場的作用是彎曲和聚焦帶電粒子，使它們在四個碰撞點發生碰撞。LHC的四個碰撞點都有一個檢測器來測量碰撞產生的粒子的性質。整個加速器橫跨瑞士和法國。它是世界上最昂貴、最大、能量最大的強子加速器。所使用的強子大多是質子，而鉛離子碰撞每年只發生一個月。因此，我們只引入質子碰撞。
LHC的整個實驗結構由LHC加速器、前方加速器和碰撞點處的四個探測器組成：超導環場探測器（ATLAS）、緊湊型微米線圈（CMS）、大型離子對撞機（ALICE）和LHC底夸克探測器（LHCb）。首先，氫原子中的質子和電子被分解，質子在直線加速器中被加速到5000萬電子伏特。接下來，質子被送到半徑越來越大的圓形前級加速器——質子同步加速器推進器、質子同步加速器和超質子同步加速器，從而達到4500億電子伏特的動能。為了增加物理反應和有趣粒子的機率，超過1011個質子被壓縮在一個半徑為30微米到45微米、長度約為10釐米的圓柱形空間中。加速器的每一階段，除了加速質子組外，還在不斷冷卻和聚焦質子組，以實現高密度的質子束。最後，兩束質子束在LHC軌道上順時針和逆時針執行約20分鐘，然後達到最大動能（LHC設計的最大值為7兆伏）。
讓我們回顧一下帶電粒子是如何在垂直於其運動平面的磁場中運動的：它們軌跡的曲率半徑與磁場的大小成反比，與粒子的動量成正比。也就是說，如果粒子要保持在相同的圓形加速器軌道上，磁場的大小必須隨動量變化。LHC磁場的最大強度為8。33特斯拉，軌道半徑為26。7公里，這就決定了質子所能擁有的最大能量為7mv，也就是說，當質子碰撞時，質心繫統的最大能量可以達到14mv。LHC曾使用了7兆伏的質心能量，它將質心能量增加到了8兆伏。一個兆伏的能量，相當於1。6爾格（1。6×10-7焦耳），實際上是一隻蚊子全速飛行所需要的能量，遠遠小於100克蘋果下落1米所需要的動能（1焦耳）。
事實上，任何有質量的粒子都不能超過光速。當粒子的速度遠遠小於光速時，它又回到牛頓力學中的動能。當粒子速度接近光速時，粒子速度的增加速度比粒子動能的增加速度慢得多。
LHC研究小組
LHC碰撞點的每個探測器都有一個負責ATLAS、LHCb、CMS和ALICE的實驗團隊。其中ALTAS和CMS實驗團隊多達3000人。其主要目的是發現希格斯粒子，發現標準模型之外的新物質。ALICE，顧名思義，專門研究由鉛離子碰撞產生的夸克膠子等離子體狀態來理解宇宙的形成；LHCb專門研究底夸克的性質，以幫助理解正反粒子不對稱和反粒子不對稱的原因。
地圖集探測器的尺寸最大：長46米，寬25米，高25米，相當於10層樓高，有三個籃球場那麼大。CMS探測器重12。5萬噸，相當於65頭藍鯨。除了4個碰撞點的檢測器外，在ATLAS和CMS檢測器的前端和後端分別有兩個小檢測器LHCf和TOTEM。
碰撞點上的探測器通常由多層子探測器組成。內層和最近的碰撞點為帶電粒子軌跡探測器，外層為電磁和強子量熱計，外層為隱蔽性探測器。
偵測粒子的軌跡
想要徹底瞭解粒子的性質，我們必須知道粒子產生時的動量大小、方向以及能量的大小，也就是所謂的四維動量。帶電荷粒子的動量大小和方向，可以從它們在軌跡偵測器裡所留下的訊號算出——動量大小正比於粒子在磁場中運動軌跡的曲率半徑；而質子一質子對撞點，也就是粒子產生點和軌跡偵測器有訊號的位置，兩點的聯線方向便是動量方向。
常見的軌跡偵測器有矽晶軌跡追跡系統和氣體漂移室。不管軌跡偵測器的材料為何，其物質密度都不能過高，這樣當帶電粒子經過軌跡偵測器時，只會損失非常微小的能量，而所測量到的動量便不會偏離帶電粒子進入軌跡偵測器之前原有的動量。如果粒子本身是不帶電荷的，但是會衰變到帶正電和帶負電的粒子，我們可以從這些衰變產物來推匯出原來粒子的動量。
粒子的能量可以由電磁和強子量能器裡的訊號來得到。量能器是一種“破壞性”偵測器，本身可以誘發簇射，所以必須放在軌跡偵測器外圍才不會干擾動量的測量。簇射產物中，起初只有少數高能量的次級粒子，這些次級粒子進一步被引發二次簇射、三次簇射……使得次級粒子的數目逐漸增加，而能量逐漸降低。一旦所產生的次級粒子能量夠低並且帶有電荷，這些次級粒子便會被量能器記錄下來。
既然渺子帶有電荷，我們可以用軌跡偵測器測量到它的動量，那麼為何要在量能器外圍再裝一個渺子偵測器？
原因是，在標準模型裡，帶電荷的粒子中，只有渺子可以在損失極小能量的情況下穿越量能器，而在渺子偵測器被偵測到。其他粒子不是早就衰變，便是已經在量能器裡損失所有的能量，例如電子或正子在電磁量能器中損失所有能量。雖然渺子最終還是會衰變，不過它的生命期是2。2微秒，平均來說，對於一般對撞機所產生的渺子，至少要行進6000米才會衰變，這一距離顯然遠大於一般偵測器的大小。渺子偵測器的基本作用原理，事實上和靠近對撞點的軌跡偵測器一樣，所使用的大多是氣體漂移室。
如同前面所提到的，微中子不會和對撞機偵測器產生電磁互動作用或強互動作用，所以無法被直接偵測到。判別微中子的方法，只有看每個對撞事件是否有迷失動量。
在同一個質子一質子對撞事件裡，所有粒子的總動量必須等於零，如果有粒子沒有被偵測到，其他被偵測到的粒子的總動量便會不等於零，也就是說，這個對撞事件有迷失動量。迷失動量是所有偵測到的物理量裡，最難校正的一項。偵測器要是有一個區域無法正常執行，或是被偵測到的粒子能量有誤差。對撞事件便會產生一個“偽迷失動量”。雖然困難，但是許多粒子物理學家還是努力研究迷失動量，因為除了微中子之外，尚未發現的重力作用子、超對稱粒子或其他新粒子，都有可能逃離偵測器而留下迷失動量。
