先说结论：所谓虚粒子其实是为了摆平量子力学中的一些方程式，而假想出来的一些虚构粒子，运用这种概念，科学家们可以采用间接方式探测新粒子和新物理。
到目前为止，地球上最大的粒子对撞机是欧洲大型强子对撞机，简称为 LHC ，今天，让我们继续对它做一些更深入的了解。
我们先来了解一下 LHC 的结构。总的来说，它由三个部分组成。
第一个部分就是最为壮观的粒子加速环，或者叫粒子加速管道：在一条长达 27 公里、接近于完美的圆形隧道中，平行放置了两条真空管道，管道被超导磁铁包裹着，用液氦冷却到接近绝对零度。
为什么要有两条管道呢？因为质子束在两条管道中被分别加速，一束质子顺时针运动，一束质子逆时针运动，这样才能实现迎头相撞的效果；
第二个部分是碰撞点，在 27 公里长的环形管道上，设置了一共四个碰撞点；
第三个部分就是探测器，这是 LHC 最为核心的部件，一共有 7 大实验探测器。
其中，最为公众所熟知的探测器就是简称为 ATLAS 的探测器，它的中文全称叫“超环面仪器”，这是一部巨大的机器，整体是一个圆筒形的造型，长达 44 米，圆面直径 25 米，重达 7000 吨，把两架载客人数 150 人左右的波音 737 客机塞进去都没问题。
2012 年宣布发现的上帝粒子就是这个探测器发现的，所以很出名。
还有一个非常出名的探测叫 CMS，中文全称叫“紧凑 μ 子线圈”，这也是一个圆筒形结构的探测器，长约 21 米，直径约 16 米，尺寸要比 ATLAS 小得多，但是重量却达到了惊人的 12500 吨，这是因为它的零部件设计得特别紧凑，因此被叫做紧凑 μ 子线圈。
ATLAS 和 CMS 是 LHC 的明星探测器，媒体曝光率最高，事实上它们确实是寻找新粒子竞赛中极为重要的两个选手。但是，这并不是说其他选手就没有了夺冠的可能，其实 LHC 的 7 个探测器，哪一个都不是吃素的。
今天我要给大家重点介绍的就是 LHCb 实验，中文全称叫：大型强子对撞机底夸克实验，这个实验用到的探测器就是 LHCb 探测器，它的体形和名气都比 ATLAS 和 CMS 要小一些，但没有人敢轻视它，它也为这场寻找新粒子的竞赛带来了更多的不确定性。
要了解什么是 LHCb 实验，咱们还得从标准模型开始讲起，这是目前理论物理界对已知粒子如何产生以及如何相互作用的一个最佳理论。可以说，它取得了巨大的成功，解释了绝大部分微观世界的现象，所做出的预言也在非常高的精度上得到了验证。
总的来说，它把基本粒子划分为夸克和轻子。
夸克有 6 种，又分为 3 组，物理学家习惯称为 3“代”：
上夸克和下夸克为第一代，
粲夸克和奇夸克为第二代，
底夸克和顶夸克为第三代。
注意，底夸克的英文是 beauty quark，这个 beauty 就是美女的那个 beauty，LHCb 中的 b 就是 beauty 的首字母。当然，在英文中，表示底夸克更常见的一个词是 bottom quark，这也是中文译名的由来，但是 LHCb 的英文全称确实是 Large Hadron Collider beauty。
我们继续讲标准模型。在自然界中，我们从未观测到孤立的夸克，它们总是组合成所谓的强子态。所以，粒子物理学中所称的“底强子”就是包含底夸克的粒子。
与夸克类似，轻子也分为三代：
电子和电子中微子，
μ子和μ中微子，
τ子和τ中微子。
上夸克、下夸克和电子同为第一代基本粒子，我们日常所见物质中的原子均由它们组成。另外两代粒子有些难以捉摸，必须利用粒子加速器才能让它们显出真容。
作用在这些粒子上的力包括电磁力、弱作用力和强作用力，但是并不包括万有引力，因为在亚原子层次上引力的效应小到可以忽略不计。每种作用力都需要额外的粒子来传递：例如，
光子传递电磁力，
W 玻色子和 Z 玻色子传递弱作用力。
在所有这些粒子之外，还有希格斯玻色子，它代表的是一种为某些粒子赋予质量的基本场。
然而，物理学家知道标准模型一定是错误的。请注意，这里的“错误”是要打引号的，物理学家们更愿意称这个理论不完善。标准模型对某些问题的回答非常成功，但是对其他一些问题却完全无能为力。
在宇观尺度上有一些标准模型无法解释的问题。例如，宇宙大爆炸时正反物质应该是等量诞生的，为什么现在宇宙却几乎完全由正物质组成？
此外，标准模型也无法解释暗物质的本质。尽管看不到宇宙中这些额外的质量，但我们知道暗物质肯定存在。我们观测到的恒星和星系运动，就是在它们的驱动下进行的。事实上，标准模型并不包含万有引力这个在大尺度下起主导作用的力，迄今为止，所有试图将万有引力纳入标准模型框架的尝试均以失败告终。
而即使是已知的亚原子粒子世界，也还有很多未解之谜。
希格斯玻色子的质量恰好略高于 W 和 Z 玻色子，然而标准模型认为它的质量应当是后者的万万亿倍。
把基本粒子分成三代也显得特别生硬，因为三代基本粒子除了质量等级差异很大之外，其他性质几乎完全相同，就好像是自己的复制品一样。
标准模型对此类问题束手无策。因此，尽管标准模型解决了很多问题，但它注定只是一个近似理论，是有望解决这些谜团的更深层理论的一个表面。与 ATLAS、CMS 以及全球其他众多实验一起，LHCb的目标是发现更深层理论的基本元素，说白了，就是要寻找到标准模型之外的新粒子，找到了新粒子，就相当于找到了打开物理新世界的钥匙。
当两个质子在对撞机中撞得粉身碎骨时，释放出的高度集中的能量可凝结成与对撞质子完全不同的粒子，例如包含底夸克的粒子，这就是 LHCb 实验要寻找的底强子。底强子寿命很短，在它衰变成几个较轻的粒子之前，通常仅能向前飞行 1 厘米左右的距离。
为了探测到它们，LHCb 有一些专为研究底强子的物理性质而量身打造的独家秘技。例如，LHCb在距离大型强子对撞机粒子束流仅 8 毫米的位置放置了一个硅微条探测器。
LHCb 还有一套被称为环形成像切伦科夫计数器的独特系统，能够对底强子衰变产物发出的光进行模式识别，从而鉴别这些衰变产物都是些什么粒子。
在大型强子对撞机第一阶段运行期间，也就是 2010 到 2012 年间，在 LHCb 探测器中产生了大约 1 万亿个底强子。这些粒子的衰变方式很多，其中某些衰变方式尤其令人感兴趣，因为这些衰变方式无法用标准模型解释，而这种无法被现有理论解释的新发现，就有可能成为“新物理学”的路标。
对于新物理理论的可能形式，理论物理学家提出了很多不同的假说，但其中多数理论都需要引入比已知粒子更重的新粒子。
之所以说大型强子对撞机是寻找新物理的理想平台，很重要的一个原因就在于这些预言的新粒子很重。重到什么程度呢？
这些粒子的有效质量可高达数万亿电子伏。这个电子伏是一个能量单位，并不是一个质量单位。但是在高能物理学中，通常都是用能量单位来表示质量的，因为质量和能量其实是可以相互转换的。1 电子伏的定义就是 1 个电子在经过了 1 伏特的电位差之后所获得的动能。几万亿电子伏是个什么概念呢？
根据我在维基百科查到的数据，核爆中带电粒子的能量范围大约也就是 3 万 到 300 万电子伏，一个质子的质量如果全部转换成能量的话，大约是 9 亿电子伏，希格斯玻色子大约是 1250 亿电子伏。
如果这些预言中的大质量粒子存在，它们衰变时会产生非常特殊的信号，ATLAS 和 CMS 实验的设计目的就通过此类信号直接寻找这些粒子。不过，寻找新物理另有捷径，或者说更巧妙的办法。新粒子的“虚粒子”效应会影响标准模型粒子的衰变，我们可以通过这种效应探测到这些新粒子。
那么，什么是“虚粒子”呢？
这个概念听上去很奇幻，它是量子力学中的奇妙特性，已经不止一次地正确预言了很多物理过程。
当然，要把虚粒子的概念讲清楚，不但要借助费曼图，而且还不可避免地要用到满是希腊字母和各种符号的奇怪公式，这绝不是三言两语就能够说清楚的。
我这里只讲一个大致的概念，所谓虚粒子其实就是为了摆平量子力学中的一些方程式，而假想出来的一些虚构粒子。
这些虚构的粒子往往具有负的质量和能量，听上去很不可思议。质量和能量怎么可能是负的呢？唉，量子力学中的不确定性原理就允许这种负能量存在。
在物理学中，把真空的能量定义为零，这就好像我们把海平面定义为零海拔一样。但真空并不是完全没有能量，比真空更低的能量就是负值。或者你也可以这样理解，一个虚粒子可以向真空中借能量，从原本什么也没有的虚空中，突然借得能量，然后马上又归还，这个过程要符合不确定性原理，借得的能量越大，则归还的时间就越短，反之则越长，时间和能量的乘积是一个常数。
所以啊，有些书上把真空看成是沸腾的海洋，能量不断地凭空产生又凭空消失，好不热闹。虽然，这听上去更像是一个纯数学手段，就好像为了回答什么数字的平方会是负数一样，数学家生生造出了虚数的概念。但是，它却很管用，在过去的几十年中，物理学家们用这个方法发现了很多新东西，例如，正是利用虚粒子的概念，物理学家们首次预言了粲夸克和顶夸克的存在，并且正确估算了它们的质量。
LHCb 采用间接方式探测新粒子和新物理的策略，其背后的指导原则正是虚粒子概念。由于这些新粒子仅以虚粒子的形式参与我们测量的所有衰变，我们能探测到的粒子的质量就不受限于加速器所能达到的能量。原则上，如果对合适的衰变过程进行足够精确的测量，我们就可以探测到超出 ATLAS 和 CMS 极限的大质量粒子的效应。这些粒子质量太大，不可能在 LHC 中直接产生，更别提探测了。
现在，科学家们已经发现了一些迹象，表明标准模型对底强子衰变的描述并不总是与实验测量完全相符。这些线索来自多种测量，但拥有某些共同特征。在得到更多数据，对理论有了更加充分的理解后，我们也可能认识到标准模型实际上与我们的观测符合得很好。即便如此，先前的这些线索也会展现出标准模型大厦上的裂痕是如何不断扩大、愈演愈烈的。
现在，物理学家们正在分析大型强子对撞机二期运行采集的新数据，那些与标准模型预言的偏差的显著性要么继续提升，从而使这些异常现象变成物理学中最重大的新闻，要么烟消云散，探索之旅将继续下去。我们还需要一些耐心，让人类中那些最优秀的大脑折腾去吧，我们在这里为他们加油呐喊。
假如某个反常的现象从“有趣的迹象”变成了“与标准模型有明显冲突”，这将意味着什么呢？
显然，这将是粒子物理领域近几十年来最重要的进展，它为我们打开了一扇窗户，窗外的美景一直被隐藏在我们此前所理解的宇宙规律背后。
那时，我们需要找出到底是什么打破了标准模型。新粒子的效应按理说也会出现在其他底强子的衰变过程中，从而为我们提供更多的线索。不管未来结果如何，不可否认的是，LHCb 探测器拥有极高的灵敏度，而且在未来几年还有望得到显著改进。
我们不知道间接寻找新物理的道路是捷径还是弯路，但是有很多物理学家坚信他们正朝着正确的方向前进。毕竟，指导我们的是伽利略的格言：“可测者，测之；不可测者，使之可测”。
对 LHCb 而言，没有比这更为恰当的箴言了。
