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利用这套对撞机科学家能发现新粒子还能解释

时间:2019-02-06 03:35:44| 来源:| 编辑:笔名| 点击:0次

利用这套对撞机,科学家能发现新粒子,还能解释世界的运行规律

大型强子对撞机(LHC)的目的和原理是什么?

黄豆子,高能物理实验娘

这个问题的答案如果全部说清楚几乎是不可能的

我努力简化出一个浅显易懂,并且逻辑清晰的答案。我更希望答案的逻辑可以让更多非物理领域的读者了解粒子物理科研解决问题的基本思考方式。

零,前言

问题问的是 LHC 的目的和原理,我认为比较合适的逻辑顺序是:

要解决什么问题

其中 LHC 能做什么(目的)

LHC 怎么实现这些目的(原理)

有很多角度可以阐述,我的描述会围绕标准模型这一理论展开。

一,需要解决的问题

我们可以认为所谓需要解决的问题就是,现状和物理终极目标之间的差距。

终极目标:理论物理这门学科的终极目标很大程度上可以归纳为建立一套自洽的、能够解释客观世界一切运行规律的理论。(* 所谓客观世界的规律其实可以解说为基本粒子和相互作用)

现状:经过几代物理学家的完善,我们现在有一个叫做标准模型(Standard Model)的理论。这套理论基本上自洽,可以解释大部分客观世界运行规律。

拿标准模型和终极目标一比较,我们就可以发现,我们的问题是

标准模型内部的自洽性和正确性

标准模型解释不了的现象

为了解决这两个泛泛的问题,我们可以进一步将问题具体化为

标准模型理论的推论是否合理以及正确,理论预测是否都符合实验结果?

标准模型是最基本的理论,以其为出发点,对于现有现象,不同的解释都能说通,那么其中哪一个是对的?

现在有些现象标准模型解释不了,理论学家提出不同于标准模型的理论,那么其中哪一个是对的?(* 考虑到标准模型现有的成功,我们几乎可以认为标准模型不会是完全不正确的理论,只是可能是不够基本的理论,所以理论学家建立的新理论应该包括标准理论,或者说可以在某种极限下回到标准模型。)

还有哪些新的现在没有发现的现象也是标准模型解释不了的?

二,其中 LHC 能做什么

下一步我们想要将上述所提到的理论问题,转换为实验思维,叙述成具体的实验行为。而针对粒子物理领域(在凝聚态,非线性结构等等领域也仍有很多物理界尚未理解的问题,我们这里只讨论粒子物理领域),实验可以做哪些事?

(A)用实验寻找标准模型预测了但还没找到的粒子,以及测量标准模型的各种常数

(B)标准模型不同解释会预测不同现象,用实验去鉴定哪个预测会真的发生

(C)不同标准模型以外的新理论会预测不同现象,用实验去鉴定哪个预测会真的发生

(D)创造极端条件,产生新现象

以上四条,其实多少可以概括 LHC 建立的目的。进一步考虑标准模型的具体内容,可以列出一系列具体的话题,包括(每条后面标注的字母是说属于上述列出的哪种实验)

寻找 Higgs Boson(s)(希格斯玻色子)(A)

研究 Quark-gluon plasma(夸克胶子等离子体)中粒子的相互作用 (B)

研究 Heavy flavor(重夸克)粒子的性质 (B)

Hierarchy Problem (C)

寻找 Dark matter(暗物质)的候选粒子 (C)

Matter-Antimatter asymmetry(反物质去向)(C)

Extra dimensions (高维度)(C)

Subatomic structure(C)

上述这些具体话题的理解需要相关理论知识的支持,所以不懂也没有关系。在附录里我非常简略地介绍了每个话题背后的大命题。

三,LHC 怎么实现上述目标

为什么要做高能实验

虽然上述话题看起来各种各样,但是归根到底实验要做的就是两种事,一种是产生粒子(Higgs,Dark matter,Extra dimensions,Heavy flavors 等),一种是产生极端环境研究相互作用(Quark-gluon plasma, Antimatter 等)。

根据众所周知的质能方程 E=mc^2,我们知道通过给予一定的能量,可以通过相互作用产生一定质量的粒子。所谓极端环境其实就是高能量高温度高密度。

所以其实我们可以简单地这样认为,无论采取怎样的手段,高能实验的目标就是产生足够高的能量,这也是粒子物理实验也被称为高能物理实验的原因。

高能实验的原理

其实绝大多数实验的过程都可以归结为产生初态,相互作用,探测末态三个步骤,而高能物理实验也不例外,甚至这种步骤的分割还更为鲜明。

产生初态:产生要作用的粒子,并且加速到足够高的能量。高能实验里一般用加速器来实现粒子的加速。

相互作用:一方面初态的粒子要相互作用(电弱作用,强作用)才可能产生新粒子,另一方面相互作用的性质本身也是我们的研究对象。高能实验一般靠对撞(相互运动的粒子撞击作用)和打靶(运动的粒子和静止的粒子撞击作用)实现相互作用。

探测末态:我们通过探测末态的粒子种类和参数(动量、能量、速度等等),和初态相比较,就可以 1 反推中间过程产生的粒子,2 反推相互作用的性质,而这正是我们想要知道的。在高能实验里我们一般用粒子探测器来实现末态探测。在附录里我会简单介绍一下探测器的工作原理。

加速器有很多很多很多种,探测器也有很多很多很多种,我们不可能展开讲

利用这套对撞机科学家能发现新粒子还能解释

,有兴趣的人可以自行搜索相关文献。

LHC 的具体情况

上面说了高能实验的原理,这里简单说说 LHC 的情况。

产生初态:LHC 的中文全称是大型强子对撞机,所以显然初态是强子。比如你要是听到北京正负电子对撞机,你就知道初态是正负电子,so easy!LHC 具体是使用质子或铅原子核。加速器是直线加速器 + 环形同步加速器的逐级加速。我会在附录里简单介绍一下同步加速器。

相互作用:看到中文全称就知道它使用的是对撞而非打靶,而事实上物理系的本科生都会计算一道作业题来证明对撞比打靶有效能量更高。

探测末态:LHC 有四个探测器,分别是 CMS,ATLAS,ALICE 和 LHCb。四个探测器针对不同的物理目标,侧重探测不同的粒子。

四,附录

和 LHC 有关的物理命题

Higgs Boson(s):标准模型对于质量产生机制的描述预测了一种粒子(玻色子),这种粒子被命名为 Higgs。Higgs 之所以被关注是因为标准模型预测的其他所有粒子都已经在实验中被发现,而如果 Higgs 也被找到,则是对标准模型正确性的一个很大的支持。2012 年 7 月 4 号 CMS 和 ATLAS 宣布发现了一种质量为 126.5GeV 的新玻色子。而它具体是不是标准模型预测的 Higgs,还需要进一步的确认(而我想大部分人大概都接受了它就是 Higgs 的假设除此之外还有没有其他 Higgs,也是 LHC 关注的一个话题。

Subatomic structure:人们对于宇宙的了解有一个不能忽略的问题就是有没有最小的组成单元,而如果有,那么什么是最小的组成单元。这里名字虽然叫 Subatomic structure,但事实上距今为止我们已知的最小的单元早已不是原子,而是夸克和电子。那么夸克和电子到底是不是最基本的单元呢?我们还不知道。有些并不显着的效应暗示还有亚电子结构,但是至今也还不能确认。所以这个方向的探索也还会继续进行。

Quark-gluon plasma:如果有人听说过夸克禁闭的概念,大概知道夸克这种粒子由于强作用的特点而在一定程度上被限制不能单独存在。而 QGP 则是一种极端环境下夸克胶子的自由态。QGP 被认为存在于大爆炸初期的某个时期中,所以我们希望通过研究 QGP 来了解大爆炸过程中发生过什么事,也希望了解和宇宙起源有关的信息。

Hierarchy Problem:现有的物理理论认为宇宙中的相互作用可以分为四类,分别是引力作用,电磁作用,弱作用和强作用(其中电磁和弱作用可以由电弱作用理论统一起来)。而我们可以观察到万有引力作用往往远小于其他作用。所以我们想知道这是为什么。也许你会想大自然就是这样设定的并没有什么原因,然而这种不寻常的差异往往背后有更本质的原因。比如我们也在研究为什么轻子和夸克是三代,为什么代与代之间质量差别如此之大。这些都是我们想要知道的。

Dark matter:暗物质是宇宙中大量存在的我们尚不了解的物质。因为这种物质不和其他物质发生电磁作用,也就是说它不会吸收、发射光,也不会辐射任何电磁波,所以被称为暗物质。在宇宙中存在着我们不了解的物质,我们当然希望知道这是怎样的粒子组成的,它有什么性质等等。

Matter-Antimatter asymmetry:在大爆炸之初,应该产生了相同数量的物质和反物质,而如今我们看到的是物质远远多于反物质,所以宇宙演化过程中发生了什么,这是我们想要知道的。在 LHC 主要是 LHCb 在做 antimatter。

Extra dimensions:我们生活在一个三维空间 + 时间的四维时空环境里,这是真的吗?这个宇宙有没有更高的维度呢?这是我们想要知道的。前面我们说到引力的强度往往远远小于其他作用,有没有可能是因为引力作用在更高维的空间中被分散了呢?这是一种假设。

粒子探测器的原理

首先粒子探测器的目标是探测(有没有粒子经过)和测量(经过粒子的性质)。所以其实探测器也可以和高能实验一样分为三个部分:入射粒子和探测器物质、相互作用、响应输出。探测器物质和入射粒子相互作用,将入射粒子的信息转化为光信号、电信号等易于测量的信息作为响应输出。我们熟悉粒子和探测器物质的作用情况,所以我们可以根据输出信号及作用情况反推出入射粒子的信息,这就是粒子探测器的原理。

同步加速器

无论怎样的形状和设计,粒子加速器归根结底就是靠电场做功加速粒子,使之获得能量。LHC 所使用的同步加速器是一种回旋加速器。回旋加速器是让粒子在磁场中作偏转运动,也就是绕圈圈。每个周期靠电场加速两次。回旋加速器会比直线加速器占用更少的空间。所有理科高中生都做过的作业证明在不考虑相对论效应的情况下,无论加速到怎样的能量,粒子作回旋运动的周期不变,这使得在交流电压的控制变得异常简单。然而现实是残酷的,在高能实验中粒子所达到的能量往往足够高以至于必须考虑相对论效应。这一方面使得粒子回旋运动的周期会变化,另一方面轫致辐射所浪费的能量也必须予以考虑。同步回旋加速器通过电场和磁场的控制实现同步,保证粒子每次经过电场的时候都恰好是在加速(此所谓同步)。

最后送你一朵烟花:)