【原】用27公里的強子對撞機去尋找上帝粒子

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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在法國與瑞士的交界處,，坐落著世界上最大的粒子加速器—大型強子對撞機,。其巨大的身形甚至形成了一個27公里（17英里）長的環(huán)形通道。

Credit: Maximilien Brice/CERN

大型強子對撞機（LHC）是現(xiàn)代粒子物理學的一個奇跡,，它使研究者能去探索更小的微粒,。根據(jù)物理學家托馬斯2015年的一篇歷史論文，我們得知LHC起源于1977年,。當時歐洲核研究所的負責人約翰亞當先生提出修建一個地下通道的計劃,，用來容納具有超高能量的粒子加速器。

從空中鳥瞰大型強子對撞機的地理環(huán)境,，雖然結(jié)構(gòu)大部分在法國境內(nèi),，但是主要的建筑則多在瑞士。

20年后的1997年,，該項目正式得到批準,，一個27公里（17英里）長的環(huán)形加速器開始修建，該環(huán)穿越了法國瑞士交界處,，能將粒子加速到光速的99.99%并使其相互撞擊,。在這個環(huán)形管道中，9300個磁體將引導帶電粒子束以每秒11245次的頻率從兩個方向迎面相撞,。這個設備每秒可以產(chǎn)生6億次撞擊,，產(chǎn)生令人難以置信的能量,，偶爾會出現(xiàn)一些,，奇異的、前所未見的重粒子,。LHC的運行能量是已退役的前記錄保持者美國費米實驗室的正負粒子加速器的6.5倍,。

LHC耗資80億美元建造，其中5.31億美元由美國提供,。來自60個不同國家的八千多名科學家在這里通力合作,。加速器在2008年9月10號進行第一次粒子碰撞，這次碰撞僅是最大設計強度的十萬分之一,。

在LHC運行之前,，一些人擔心它可能會產(chǎn)生一個吞噬一切的黑洞，導致地球的毀滅,。然而,，任何一個真正的物理學家都會認為這樣的擔憂是無稽之談。

“LHC是安全的,，任何關(guān)于它會產(chǎn)生危險的言論都是虛假的,。”歐洲核研究所（CERN）所長羅伯特·?，敔栐鴮Α犊茖W生活》這樣說,。

但這并不意味,，不正當?shù)牟僮鳑]有危險。如果你把手伸進高能粒子中,，巨大的能量相當于把運行中的航空母艦的能量集中到毫米大小,，高能粒子會馬上把你的打出一個洞，而通道里的放射性物質(zhì)將會使你喪命,。

開創(chuàng)性研究

在過去的十年里,，LHC由ATLAS和CMS兩個粒子探測器對粒子碰撞進行觀測，它們的數(shù)據(jù)采集和分析是相互獨立的,。這是為了保證兩者的數(shù)據(jù)不會相互影響,，而且還可以相互對照檢查。該設備已經(jīng)在基礎(chǔ)粒子物理學各個領(lǐng)域促成了兩千多篇科學論文,。

2012年7月4日,，科學界正屏氣凝神等待著LHC的研究員宣布希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，它是50年前一個叫標準物理模型的理論的最后一塊拼圖,。標準模型試著把所有已知的粒子和力（除了萬有引力）以及他們的相互作用納入計算,。回溯至1964年,，英國物理學家皮特·希格斯寫的一篇文章預言了該粒子的存在,，現(xiàn)在科學界以他的名字命名這種粒子。該粒子向人們解釋了質(zhì)量如何在宇宙中產(chǎn)生,。

希格斯玻色子實際上是個存在于整個宇宙的場,，作用著穿過它的每一個粒子。粒子的質(zhì)量越大,，在場中的運動就會越艱難,。希格斯玻色子是這個場的表現(xiàn)，物理學家已為此摸索了半個世紀,。LHC就是為了弄清楚這個神秘的場而建的,。最終科學家發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子是質(zhì)子質(zhì)量的125倍，因為準確預測了希格斯玻色子的存在,，英國物理學家皮特·希格斯和比利時理論物理學家佛朗索瓦·恩勒特被授予2013年諾貝爾獎,。

這張LHC的合成圖像是由一位3D藝術(shù)家創(chuàng)作的。透視里呈現(xiàn)的是粒子束管道,，紅色藍色分別代表相反方向旋轉(zhuǎn)的粒子束,。

丹尼爾·多明戈茲/歐洲核子能研究中心。

Credit: Daniel Dominguez/CERN

盡管掌握了希格斯玻色子,，但物理學家們?nèi)圆荒苄菹?，因為標準模型還是有一些漏洞。例如,，它不能處理萬有引力,，而萬有引力是愛因斯坦相對論的主要部分,。它也不能解釋為什么宇宙由正物質(zhì)組成而非反物質(zhì)，兩者在宇宙最初時應該是差不多一樣的量,。而且它絲毫沒解釋暗物質(zhì)和暗能量,，二者在標準模型建立時還沒有被發(fā)現(xiàn)。

在LHC建成前,，很多研究人員都認為下一個偉大的理論是 “超對稱性理論”,，它給所有已知的粒子加入相似但質(zhì)量更大的孿生伴侶。一個或多個這種大質(zhì)量伴侶是組成暗物質(zhì)的最佳候選者,。而且,，超對稱性被開始用來解釋萬有引力，解釋它為什么比其它三個基本力要弱那么多,。在希格斯玻色子發(fā)現(xiàn)之前,，一些科學家希望希格斯玻色子和標準模型預測的不太一樣，這預示著新的物理體系,。

量范圍內(nèi),。這證明標準模型取得了巨大成就，但它沒留給物理學家什么好的新指引,。一些人開始討論追求完美理論的那幾十年,，理論聽起來很好，但似乎與現(xiàn)實不一致,。很多人希望LHC下一次的數(shù)據(jù)采集會幫助理清一些混亂,。

LHC在2018年12月關(guān)閉，經(jīng)過為期兩年的升級和修理,。當它再次上線時,，粒子碰撞的能量雖然只是稍稍提高,，但每秒碰撞粒子的數(shù)量將是原來的兩倍,。科學家都在猜想將會發(fā)現(xiàn)什么?，F(xiàn)在很多人在談論一個更大能量的粒子加速器將會取代它,，它位于同一地區(qū)，但卻是LHC的四倍大,。這個龐大的替代品會花費20年和270億美元來建造,。