澳门太阳城

[大型强子对撞机]大型强子对撞机的5个发现

  新物理的标志…也许不是

  让我们回顾一下研究人员通过这个大型强子对撞机的研究成果,从最著名的开始。

  1964年,两名研究人员在试图理解强子(参与强相互作用的基本粒子)——强相互作用下的亚原子粒子时,他们独立提出了相同的观点,即亚原子粒子是由三种类型的粒子组成的。乔治·茨威格(George Zweig)给它起名为艾斯(Aces), 默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)称之为夸克,三种夸克中两种同位旋为1/2,另一种同位旋为0。在同位旋为1/2的两种中,同位旋向上的,称为上夸克(up);同位旋向下的,称为下夸克(down);同位旋为零的则称为奇异夸克(strange)。后来物理学家又发现另外三种夸克,并分别命名为粲夸克(charm)、顶夸克(top)和底夸克(bottom),每个夸克有红、绿、蓝三味。

  作者笔记

  尽管大多数物理学家都赞成这个观点,但还有部分物理学家持反对意见,还提出了一些解释,在胶子创造的理论场中,粒子作为强作用力的载体,将夸克和反夸克变成质子和中子。他们假设,胶子在接近光速的状态下运动形成了这种理论场,夸克和反夸克在场中相互作用形成质子和中子。如果这个假设成立,这个模型倒是可以为质子结构和相互作用提供有价值的见解。

  尽管听起来很不合逻辑,但是许多物理学家希望大型强子对撞机能够帮助他们发现标准模型的漏洞之处。毕竟,这个框架确实是存在问题的,也许一两个极为重大的发现便可以证实超对称性,或者至少给出新的研究途径。然而,正如前面所提到的,研究人员在利用大型强子对撞机反复验证标准模型的同时,也对某些奇异的物理现象进行了反复的质疑和打击。当然,结果得来也不是那么容易,还要分析大量的数据。另外,大型强子对撞机还没有完全达到14兆电子伏特(TeV)的能量。这样,标准模型看起来或许并没有很糟糕。

  介质是力的载体。光子其实就是电磁波在空间中的传播,可以和其他粒子发生电磁相互作用,W和Z玻色子传递弱相互作用力。不过,光子是没有质量的,而根据欧洲核子研究中心,W和Z玻色子的质量差不多等价于100个质子的质量总和。

  蝌蚪五线谱编译howstuffworks,转载需授权

  物理学家希望大型强子对撞机能够找到支持超对称性的证据,然后揭示出更深层的问题,这有可能引导新的理论提出,甚至意味着新的实验领域。到目前为止,超对称性在自然界中尚未被观测到。不过,超对称性也有很多版本,每个版本都与特定的假设有关,大型强子对撞机只是选择了形式最优美的版本。

  有时,看似一桩小事却足以让你抓狂。20世纪初,牛顿发现万有引力并完美解释了一系列现象,麦克斯韦写出了漂亮的电磁方程组,有一段时间,物理学家们似乎认为物理学的框架已经基本建立完成,接下来只是些零碎的修补工作而已。但是重视现实的开尔文提出物理学上空的两片“乌云”,这引发了一场科学革命。其中一片“乌云”就是热学中的能量均分定理在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果,其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。

  多年以来,物理学家一直根据夸克的制造方式将强子分为两类:由三夸克组成的重子(包括质子和中子)和由夸克-反夸克对组成的介子(如π介子和k介子)。但是这些是唯一可能的组合吗?

  希格斯玻色子

  如果2013年关于B介子衰变的报告有任何异样的迹象,他们可能已经展开相关研究了,但是这份报告显示B介子衰变为k介子和两个μ介子(类似电子的粒子),这不会引起任何波动,除非衰变的模式没有遵循标准模型。不幸的是,实验条件还没有达到这项研究的要求,尽管如此,研究人员并没有放弃,他们还在坚持做最后的数据分析。如果成功的话,这种奇特的衰变模式可能会导致新的物理研究方向,这也是很多物理学家一直在寻找的。

  2013年,物理学家证实希格斯玻色子的存在,其质量约为126千兆电子伏特,也相当于126个光子质量总和。由于质能等价性,物理学家有时候也使用电子伏特作为质量的单位。这个结论不仅改写了相关的参考书,还为研究宇宙的稳定性开辟了全新的研究领域。比如,为什么宇宙中的物质远多于反物质,以及暗物质的组成和丰度。

  重四夸克态

  更多信息

  当研究人员校准大型强子对撞机的仪器时,他们一般不进行常用的质子-质子碰撞,而是选择利用质子撞击铅核,这是产生了一个令人吃惊的现象:产生的亚原子碎片通常选用的随机路径被显性协调取代了。

  协调运动

  如果这是真的,那么超对称性就意味着两种基本粒子类型(费米子和玻色子)只不过是同一枚硬币的两面。如果让对应的粒子相互抵消,数学中的某些无法控制的无穷量可以消去。另外,标准模型对地心引力的解释也有明显的漏洞,因为费米子和玻色子之间的转换可能涉及到引力子,引力子早期就由物理学家提出作为地心引力的载体。

  在宏观世界里,我们假设所有尺寸的粒子都有质量。但是在微观世界中,电弱统一理论将电磁力和弱相互作用力统一为一种隐形的力,预测称为介质的特殊粒子不应该有质量,但是问题出在其实有些粒子确实有质量。

  2003年,日本的研究人员发现了一种奇怪的粒子——X(3872),似乎是由一个粲夸克、一个反粲夸克和其它两种以上的夸克组成的。在探索粒子是否存在的同时,研究人员还发现了Z(4430),这明显是一个四夸克粒子。后来,大型强子对撞机还发现了数个证明这些粒子存在的证据,这和已经建立的夸克排列模型相悖,至少有点矛盾。这样的Z粒子是转瞬而逝的,可能在大爆炸后微妙内出现过。

  1964年,爱丁堡大学(University of Edinburgh)的物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)和弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)以及布鲁塞尔自由大学(Free University of Brussels)的罗伯特·布里特(Robert Brout)团队分别独立地提供一个解答(后称为希格斯机制):假设存在这样一个特殊的场,也称希格斯场,粒子与场的相互作用程度决定了粒子传递的有效质量。如果希格斯场确实存在,那应该有介质粒子——希格斯玻色子,但是需要像大型强子对撞机这样的设备来检测这个粒子的存在。

  理论学家提出了超对称性,简称SUSY,用来处理一些标准模型无法得到解答的问题,比如,为什么一些基本粒子有质量?如何将电磁和强弱核力联系在一起?暗物质是有什么组成的?另外,超对称性还在夸克和轻子之间就如何构成物质建立了一定的关系,而玻色子则是它们之间相互作用的媒介。就像前面提到的重子一样,轻子(如电子)属于一种亚原子粒子,称为费米子,和玻色子的量子特性相反。然而,根据超对称性的说法,每个费米子都对应着一个玻色子,反之亦然,每个粒子都可以转化成它对应的粒子。

  这些尚未解决的问题是否又会引发另一场革命?要想找到答案,我们需要更强大的粒子对撞机,例如,周长为16.8英里(27公里)的内部温度低于外界温度的超导磁体环,还要能够在超高真空以接近光速的速度撞击粒子。2008年9月10日,这个耗资100亿美元的大型强子对撞机(Large Hadron Collider ,简称LHC),由全球数百名科学家和工程师共同努力完成,联合欧洲核子研究中心(European Organization for Nuclear Research ,简称CERN),很快打破了粒子碰撞的记录。

  粒子物理学和量子力学的研究对象都是微观粒子,这类研究方向的物理学家发现了两种基本作用力和许多奇怪的基本粒子。但是在上世纪70年代之前,物理学家对微观粒子的认识还只是停留在已发现的上百种粒子上,他们的工作也只是检验和完善标准模型--占有主导地位的理论。30年后,物理学家利用加速器和对撞机发现亚原子微粒,这很重要。不过还存在着许多问题:为什么有些粒子有质量,而有些质量为零?四大基本作用力能够统一起来吗?广义相对论和量子力学之间的矛盾能消除吗?

  现在还有个更大的问题,涉及到第二代宇宙空间外偏振背景成像(BICEP2)测量的宇宙背景辐射。如果观测结果是正确的,那么希格斯场在大爆炸时应该有足够的能量马上进行大收缩。换句话说,如果这两个观点都成立,那我们就不应该争论为什么它们不可能是真的。

  未被证实的超对称性

  在大型强子对撞机完成后,有些人想知道如果希格斯玻色子没出现,现在的物理学又会有什么变化?这不仅仅是大规模的原子加速器存在的主要原因,也是限制标准模型适用范围的关键。

  对于这种现象,一种理论认为,质子和铅核之间的撞击导致了一种叫做夸克-胶子等离子体(QGP)的奇异状态产生,它像液体一样流动,并在冷却时产生协调粒子。布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratories)和大型强子对撞机都曾经通过碰撞铅和金等重离子产生出夸克-胶子等离子体——黑洞之外最密集的物质形式。如果由质子引导碰撞产生夸克-胶子等离子体被证明是可能的,那么虽然它在大爆炸之后存在的时间很短暂,但是对后来科学家观测大爆炸之后的宇宙状态的影响十分显著。不过现在的问题是:碰撞释放的能量还不足够制作出假设的夸克汤。

  欧洲核子研究中心当天的汤是一种夸克-胶子等离子体。

  高能物理说到底还是基础科学,就算取得成功,也不会在短期内造福社会,就如LHC发现希格斯玻色子(上帝粒子),也只是证明了标准模型的一个预言而已,告诉理论物理学家这个方向走得通,但是要把高能物理转化为惠及民生的实用技术,还有很长的距离。

  杨振宁的观点很明确,建造大型对撞机确实能推动中国科研事业的发展,作为理论物理学家的他深知这点;他反对建造对撞机,是认为中国现在还不具备建造条件,他提出的七条反对理由,简单叙述如下:

  大型强子对撞机不是研究高能物理的唯一出路,我们可以选择其他更加经济的方式,来突破现有高能物理的瓶颈。

  就拿美国在1989年的SSC项目来说,最初预算是40亿美元,后来建造费用远超预算,甚至接近100亿美元,最终导致项目终止;而欧洲的大型强子对撞机(LHC),建设费用超过100亿美元,而且运行维护费用也高得吓人。

  在前几年,中国高能研究所提出,要建造世界上最大的环形正负电子对撞机(CEPC),周长50~100公里(LHC周长27公里),用以推进中国科学事业的发展。

  (7)并非唯一出路

  虽然杨振宁反对我国现在建设大型强子对撞机,但是他的反对并没有起作用,因为CEPC已经在开始建设了;既然国家已经决定建设,就期望CEPC能取得成功吧!

  目前世界上最大的强子对撞机,是位于欧洲的大型强子对撞机(LHC),LHC已经发现了很多新粒子,为粒子物理学提供了丰富的研究资料。

  杨认为,CEPC的建造可能是无底洞,之前专家评估建造费用为300亿人民币左右,但是真正建造完成的实际费用,很可能远远不止于此,甚至超过1000亿人民币。

  (5)没有短期效益

  (1)太烧钱

  (6)人才匮乏

  好啦!我的内容就到这里,喜欢我们文章的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯!

  中国在高能物理方面的人才非常缺乏,就算CEPC建造成功,高能物理的研究方面,也少不了其他国家人员的参与,就算取得成果,也不是我国独享的。

  (3)影响其他领域

  (4)理论不成熟

  建造大型强子对撞机会对我国高能物理方面有帮助,但是国内还有更待解决的问题,比如教育、医疗等等,这么一大笔钱,应该放在最重要的地方。

  大量资金投入单个项目,必定会缩减其他科研领域的预算,最后可能是丢了西瓜,捡了芝麻。

  基本粒子的研究已经遇到了瓶颈,理论也不完善,建造大型强子对撞机可能有新发现,也可能收获甚微,前景难以预料。

  就算CEPC由各国合作建设,中国的投入肯定占了大头,我们中国还是发展中国家,虽然经济总量已经跃居世界第二,但是人均还排在世界末尾。

  高能物理属于基础物理学,人类对基本粒子的了解程度,决定了人类当前科技的天花板高度;大型强子对撞机是研究高能物理最重要的工具,所以各国总是想去建造更大的对撞机。

  (2)不具备条件

  CEPC的提出,得到了许多国内外专家的支持,但是也不乏反对者,其中诺贝尔物理学奖获得者杨振宁,就反对中国现在建造。

  杨振宁不完全反对中国建造强子对撞机,他只是认为对撞机的前景不明,我国还不具备建设条件,贸然花数百亿去建造这么一个东西,需要量力而行。

  好了,知道了对撞机内的物理过程和实验设计思路,我们就要看探测器是如何完成对末态粒子的记录并重构物理事件的。

  所以说不要误解加速器实验。其中对于物理来讲最重要的一部分就是探测器。

  对撞出原子弹的能量

  加速器仅仅是一种仪器,用来赋予被加速的粒子能量。被加速的粒子可以是非常轻的电子,也可以是很重的重离子,比如说金离子。而且加速达到的能量也不同。加速不同的粒子用于研究不同的问题。比如基础物理实验,为了一个简单的实验条件和干净的背景,就使用极高能量的电子,像计划中的ILC,国际直线加速器。

  好啦,再说加速器实验。加速器实验是高能实验中重要的也是最庞大、消耗人力物力的实验。不过加速器也没有离我们生活这么远,我们经常听说的照X光片,治疗癌症的放疗,重离子加速癌症治疗(我国目前兰州重离子加速器HIRFL就是正在运行的一台,可以参见重离子加速器治疗癌症靠谱吗? - 物理学,据说治疗后5年寿命保证率达到99%)。

  然而这些新组装出来的东西不一定是稳定的。每一个不是基本粒子的粒子都有其寿命,随着时间都有一定的概率衰变成零件。然后零件们又会组装成生成概率最大的东西。而且有可能在这个过程中能量不够了,不再能组装回衰变前的东西。比如说,两辆车非常非常高的速度相撞,撞出一个火车,然后火车开了没有10米就散架了,然后碎裂的零件形成了5量小车。这是一个能量转换成质量的过程,完全是有可能发生的。一句话说,只要能量足够,物理过程允许,一切粒子都有可能产生。

  关于设计和实验原理。。。这个问题是不是可以开一门4学分的研究生课啊。。。这里简单说一下吧。作为一个大四的学生,我完全不敢说自己真正明白,仅仅是希望能让更多的人了解看起来很神秘的高能物理和对撞机实验。

  这对应着宇宙爆炸后非常非常短的时间内的能量和物质密度,一切所知的物质结构都被打散,只剩下最基本的目前认为不可被分割的基本粒子。不过请不要试图用切西瓜或者其他经典图像来照搬,基本粒子的存在方式、其间的关系和相互作用是需要专业的数学预言来描述的。只有当深入的学习,搞清楚这些数学和物理本质以后,逐步建立起量子、场等概念才能进行深入的讨论。

  大型强子对撞机内部

  对撞机的价值在哪

  首先,对撞干了什么?

  加速器实验的另一个要素就是探测器。加速器只是用来制备实验对象,还要对其进行观察。这就需要用到探测器。没有加速器也是可以做高能实验的,比如暗物质探测(靠天)、中微子(靠太阳靠核电站)、高能宇宙线(比LHC不知道高到哪里去了)、质子衰变(就是慢慢等)、双beta衰变(还是慢慢等)等等。这些实验都需要特殊设计的探测器来记录粒子的信息并进行反推,得到物理事例的原貌,最终得到实验结论。

  对撞机

  关于研究的问题,其他答主已经说的挺明白了。或者换句话说,就是理论物理前沿的方向性问题、下一步物理将走向何方。这也就是为什么人类会愿意投入100亿美金来建造这个庞然大物。关于实验原理,实际上还要从最基本的讲起。

  对撞就是把粒子打散,打的越散越好,可以形象的理解为真的是碎成渣渣了。为什么要这样呢?因为粒子的细致结构是藏在外部之下的。当两辆车迎面相撞的时候,速度越快,撞的越厉害,发动机啊,座椅啊车皮啊飞得到处都是。要是想知道发动机是怎么工作的呢?那我们就开得再快一些,这样撞的就更散了,发动机里面的活塞什么的都飞出来了。这样就知道发动机是如何工作的了。

  对撞机就是通过探测器记录末态粒子的状态并反推发生的物理过程,筛选出感兴趣的过程和对应的末态,计算那个物理量,并进行统计,得到这个量的统计分布。当中间态的新粒子真实存在时,就会观察到一个共振峰的存在,即不变质量在末一个位置集中分布。根据这个峰,我们可以得到新粒子的质量和寿命。而所谓的结果的几个sigma是指认为这个峰在统计上存在于这个位置的可能性。并且根据空间分布等信息可以得到这个新粒子的自旋、反应的通道等等。

  首先这属于高能物理实验。所谓高能物理就是能量很高啦~高到什么地步呢?就是说在这个能区内,原子开始展现出其内部结构,能量越高,我们能够看到的细节越多,从原子到质子中子,到夸克,这些多少会听说过的名称实际上都是经过不断的实验积累和理论上的推测发现并确定其性质的。

  或者为了研究核物理、高密高压物理就会使用离子加速。目前世界上各种类型各种能区的加速器非常多,处于激烈的竞争之下。因为加速器投入大,如果有人在相同能区比你做的好,那么你的加速器就没有用了。(这里要说到我国的北京谱仪,靠着高亮度和束流质量,曾经在正负电子对撞领域迫使欧洲美国的相同能区2-5GeV加速器停机,并一直独占此能区到现在。北京正负电子对撞机(4.15更正:有同学提出了质疑,我也会再仔细调查一下。总之,我在这里想说北京谱仪是在国际上有过一定地位的))

  上面说的就是对撞机中发生的物理过程。这种对撞、产生新粒子、又衰变为稳定粒子的过程叫做共振。当对撞粒子的能量在新粒子质量附近时,就会产生大量的新粒子,并通过上述反应得到具有一定特征的末态稳定粒子分布。根据这个特征,物理学家会定义一些物理量(不变质量,或者末态粒子空间分布、能量分布等等),并根据末态粒子的状态计算这个量。当共振存在时,就像真的共振一样,这个量就会形成共振峰。

  对撞到底干了什么

  但是大自然还存在着更神奇的力量,当这些最细小的零件被裸露出来时,它们还会被随机的拼装,装成任何可能组装成的东西。比如说,10^10辆车相撞,都撞得稀烂,零件乱飞,然后就会恰巧的产生出火车、飞机、UFO神马的,在对撞机中也就对应着新粒子的生成。

  另外,加速器还可以做医疗、光源(比如上海光源、散裂中子源等)有及其丰富和科研、民用和商业价值。

  对撞会产生什么粒子