從一聲爆炸開始
宇宙就在那里,，等待著你去發(fā)現(xiàn)它。
由福布斯撰稿人表達的意見都是他們自己的,。
從一聲爆炸開始致力于探索我們知道的宇宙以及我們怎樣知道它的故事,，重點放在物理學,、天文學和宇宙告訴我們關(guān)于它自己的科學故事上。由博士科學家撰寫并由天體物理學家愛善·西格爾編輯創(chuàng)建的,，我們的目標是來分享科學發(fā)現(xiàn)的喜悅,、驚奇和敬畏。
作者是福布斯的撰稿人,。表達的意見是作家的那些,。
在大型強子對撞機的阿特拉斯探測器中的一個四μ子事件候選,。μ子/反μ子跟蹤以紅色高亮顯示, 因為這個長壽的μ子比任何其它不穩(wěn)定的粒子旅行的更遠,。ATLAS Collaboration/CERN
高能物理學正面臨著有史以來最嚴重的危機。標準模型是完整的,
因為我們最成功的物理學理論的所有粒子已經(jīng)被發(fā)現(xiàn),。在CERN的大型強子對撞機, 這個有史以來開發(fā)的能量最大的粒子對撞機(比任何先前的對撞機的能量超過六倍), 發(fā)現(xiàn)了長期尋求的希格斯玻色子, 但沒有另外的,。傳統(tǒng)上,
發(fā)現(xiàn)新粒子的方法一直是用兩種策略之一到更高的能量:
碰撞電子和正電子, 獲得一個
"干凈"的信號其中這個對撞機100% 的能量進入產(chǎn)生新的粒子。
碰撞質(zhì)子和要么是反質(zhì)子要么是其它質(zhì)子,
得到一個凌亂的但由于這個更重的質(zhì)子的質(zhì)量到達更高的能量的信號,。
這兩種方法都有其局限性,
但一個不穩(wěn)定的粒子可能會給我們一個第三個來使這個我們迫切需要突破的μ子的選擇:,。
標準模型中已知的粒子,。這些都是已經(jīng)被直接發(fā)現(xiàn)的基本粒子E.
Siegel
標準模型是由所有我們發(fā)現(xiàn)的基本粒子和反粒子組成的。它們包括六個夸克和反夸克, 每個三種顏色, 三個帶電的輕子和三種類型的中微子, 連同它們的反粒子對應(yīng)物和玻色子: 光子,、弱玻色子 (w +,
w-, Z), 八個膠子 (附有顏色/反色組合)和希格斯玻色子,。雖然在自然界中這些粒子的無數(shù)不同組合存在, 但只有珍貴的幾個是穩(wěn)定的。電子,、光子,、質(zhì)子(由兩個上和一個下夸克組成)并且如果它們在原子核中被綁在一起的話，中子(有兩個下和一個上夸克)是穩(wěn)定的,
連同它們的反物質(zhì)對應(yīng)物,。這就是為什么我們在宇宙中看到的所有正常物質(zhì)都是由質(zhì)子,、中子和電子組成的，另外的沒有一個有穩(wěn)定的重要的交互作用的,。
雖然許多不穩(wěn)定的粒子,
無論是基礎(chǔ)和復合的能被粒子物理學產(chǎn)生,
只有質(zhì)子,、中子 (在原子核中束縛)和電子是穩(wěn)定的,
連同它們的反物質(zhì)的對應(yīng)物和光子,。其它的一切都是短暫的。當代物理學教育項目(CPEP),、美國能源部/ NSF / LBNL
你創(chuàng)造這些不穩(wěn)定粒子的方式是通過在足夠高的能量下碰撞這些穩(wěn)定的粒子,。由于愛因斯坦給定的E =
mc2的質(zhì)量/能量等價的自然基本原理,
如果你有足夠的能量你能把它變成純的能量。(只要你遵守所有其它守恒定律),。這正是我們已經(jīng)創(chuàng)造了幾乎所有其它標準模型粒子的: 通過把粒子彼此在足夠的你得出能量(e)是足夠高來創(chuàng)造你正在試圖發(fā)現(xiàn)的新粒子(質(zhì)量m)的能量上碰撞,。
從一個2014年在LHC的高能碰撞中放出的粒子軌跡顯示許多新粒子的產(chǎn)生,。這只是因為這個新的質(zhì)量能被創(chuàng)造的碰撞的高能性質(zhì)。
我們知道在我們發(fā)現(xiàn)的之外幾乎肯定有更多的粒子,。我們期望對重子不對稱(為什么比反物質(zhì)有更多的物質(zhì))一樣的奧秘有粒子的解釋, 宇宙中缺失的質(zhì)量問題(我們猜想將由暗物質(zhì)解決), 中微子質(zhì)量問題 (為什么它們?nèi)绱瞬豢伤甲h的輕), 引力的量子性質(zhì) (即,對引力相互作用應(yīng)該有一個的承載力的粒子, 如引力子)和強CP問題(為什么某些衰變不會發(fā)生)等等,。但我們的碰撞器還沒有達到揭示這些新粒子的必要能量, 如果它們甚至存在的話,。更糟的是:
目前的兩種方法都有嚴重的可能禁止我們來建立重大的更高能量的碰撞器的缺陷。
CERN的一個鳥瞰, 有大型強子對撞機的周長(所有27公里)輪廓。Maximilien
Brice (CERN)
大型強子對撞機是目前的記錄持有者, 把質(zhì)子加速到在把它們一起粉碎前每個高達6.5Tev的能量,。你能達到的能量只直接的成正比于兩件事: 你的加速器半徑(R)和用于將質(zhì)子彎進一個圓圈(B)的磁場強度。一起碰撞這兩個質(zhì)子, 用13Tev的能量擊中它們,。但你永遠不會在LHC做一個13
Tev的兩個質(zhì)子粒子碰撞的,，只有一小部分能量可以經(jīng)由E =
mc2來創(chuàng)造新的粒子的。原因何在,？一個質(zhì)子是由多重的復合粒子------內(nèi)部的夸克,、膠子、甚至夸克/反夸克對組成的, 也就是說只有一小部分能量進入制造新的質(zhì)量的粒子,。
在ATLAS探測器中一個希格斯粒子事件的候選,。注意甚至怎樣有清晰的簽名和橫向軌跡,有一個其它粒子的陣雨，這是由于質(zhì)子是復合粒子的事實,。The ATLAS collaboration /
CERN
你可能會認為然后用像電子和正電子一樣的基本粒子代替,。如果你把它們放在同一個圓環(huán)(同R)內(nèi),
并讓它們受到同一個磁場(同一個B),
你可能會認為你能達到同樣的能量,
只有這時100%
的能量會制造出新的粒子。這或許是真的, 如果不是為一個因素: 同步輻射,。你知道, 當你在一個磁場中加速一個帶電粒子時,
它會發(fā)出輻射,。因為一個質(zhì)子與它的電荷相比是如此巨大, 那個輻射是微不足道的,
你能把質(zhì)子不用擔心關(guān)于它的帶到我們能達到的最高能量上。但電子和正電子只有一個質(zhì)子質(zhì)量的1/1836, 在相同的條件下同步輻射會把它們的能量限制到約0.114 TeV,。
相對論的電子和正電子能被加速到非常高的速度,
但將發(fā)射足夠高能量的同步輻射 (藍色),
防止它們移動更快,。Chung-Li Dong, Jinghua
Guo, Yang-Yuan Chen, and Chang Ching-Lin, 'Soft-x-ray spectroscopy
probes nanomaterial-based devices'
但有一個從來沒有付諸實踐的第三個選擇:用μ子和反μ子,。一個μ子意義上就像一個電子一樣, 它是一個基本的粒子, 它有電荷的, 它是一個輕子, 但它比電子重206倍。這是足夠大到對μ子和反μ子同步輻射并不重要的的, 這是偉大的!唯一的缺點,？μ子是不穩(wěn)定的,有一個在衰變之前僅2.2微秒的平均壽命,。
原型的MICE
201-兆赫茲射頻模塊,有在費米實驗室組裝期間顯示的這個安裝的銅腔,該儀器可以聚焦并校直一束μ子束, 使μ子能被加速并存活超過2.2微秒Y. Torun /
IIT / Fermilab Today
不過,這可能是好的, 因為狹義相對論能拯救我們!當你把一個不穩(wěn)定的粒子帶的接近光速時, 它生存的時間量急劇增加,
多虧了相對論的時間膨脹現(xiàn)象,。如果你把一個μ子一路帶到了高達Tev 的能量上, 它將活13.5萬微秒: 在衰變之前足夠的來環(huán)繞大型強子對撞機1500次的時間。這一次, 你的希望是絕對真實的: 100% 的能量, 6.5Tev + 6.5Tev = 13Tev將可用于粒子的創(chuàng)造,。
在費米實驗室的一個全尺度的μ子反μ子對撞機的設(shè)計方案,世界上第二個最強大的粒子加速器的源頭,。Fermilab
我們總能建立一個更大的圓環(huán)或發(fā)明更強的磁鐵,
我們很可能完全做到這一點的,。但除了用更重的粒子外沒有馴服同步輻射的方法,
畢竟沒有不用它們來馴服在組成粒子的組分中的能量擴散的,。μ子是不穩(wěn)定的, 很難保持很長一段時間, 但隨我們得到越來越高的能量,
這項任務(wù)變得越容易進展的。μ子碰撞器長期以來一直被捧為一個單純的白日夢, 但最近的MICE合作進展------即μ子電離冷卻實驗-------已經(jīng)證明了這畢竟是可能的,。一個圓形的μ子/反-μ子對撞機可能是帶我們超越LHC的達到的粒子加速器,并且,， 如果我們幸運的話, 進入這個我們正在如此拼命尋找的新的物理學領(lǐng)域。
天體物理學家和作者愛善·西格爾是從一聲爆炸開始,！的創(chuàng)始人和主要作家,。查閱他的第一本書，超越銀河,，并尋找他的第二本遷徙術(shù)（Treknology）今年 10 月,！
https://www./sites/startswithabang/2017/04/07/can-muons-which-live-for-just-microseconds-save-experimental-particle-physics/#c369ac72de70
