暗物質?額外維度?大型強子對撞機來探索

天文在線 發佈 2020-01-11T07:24:13+00:00

2012年首次運行期間,大型強子對撞機首次探測到希格斯玻色子的新聞成為了頭條,新升級的粒子加速器有潛力通過研究反物質來提供新的發現,探索暗物質的奧秘,甚至揭示額外維度的存在。

大型強子對撞機(LHC)在中斷後,重新啟動。2012年首次運行期間,大型強子對撞機首次探測到希格斯玻色子的新聞成為了頭條,新升級的粒子加速器有潛力通過研究反物質來提供新的發現,探索暗物質的奧秘,甚至揭示額外維度的存在。

位於瑞士日內瓦的大型強子對撞機(LHC)在離線兩年多後再次開啟。在第一個三年的運行中,粒子加速器疑似探測到了希格斯玻色子,這個爆炸性新聞占據了兩期天文在線公子集和一期每日天文在線集的焦點。希格斯玻色子是標準模型中缺失的一塊,科學家們用它作為我們對幾乎所有物理學的理解的基礎。

圖解:強子對撞機圖片

標準模型預測希格斯玻色子的存在,但在LHC之前,這一難以捉摸的粒子從未被檢測到過。現在,由於對撞機的首次運行費用大約為36億美元,歷時三年,產生了大約90千兆字節的數據,標準模型的證據正在匯集起來。而且,順便說一下,平均每25兆字節的數據就要1美元——這是一次「偷竊」!

大型強子對撞機會告訴我們什麼?

大型強子對撞機在2013年初因計劃升級而關閉。在其關閉期間,科學家和工程師們致力於更換用於引導粒子在碰撞過程中運動的磁鐵,以及維持這些磁鐵之間的超過10000個的電氣連接點。為了使磁體保持超導狀態所需的低溫技術得到更新,束內的塗層也得到了更新。這種塗層可以防止電子從管道兩側被撕裂,從而干擾實驗。

圖解:大型強子對撞機細節圖

最重要的是,粒子束現在更集中(即更窄),能量更高。在大型強子對撞機中產生的碰撞現在可以達到13TeV(即13萬億電子伏),幾乎是其先前運行的8TeV極限的兩倍。從這些數字的角度來看,由於我們大多數人不經常接觸萬億電子伏的單位,前綴「萬億」意味著「13」後面跟著12個零。一個正常的可見光光子只攜帶1到3個電子伏特(後面沒有零)。鈾原子通過核裂變分裂產生200兆電子伏特(即200後面有6個零)。

這些更高的能量將開啟探測粒子和測試物理理論的機會,這在升級之前是不可能的。

例如,儘管希格斯玻色子的探測為標準模型的難題解決提供了一個巨大的部分,但仍然存在著差距,或者說,我們知道的物理事實是,標準模型目前還不能解釋。超對稱理論是一個擴展,旨在填補標準模型中的一些空白,比如質量的來源。一些粒子物理學家已經提出,我們通過標準模型知道的所有粒子實際上都有稱為「超對稱粒子」的合作夥伴。如果它們存在的話,LHC的高能碰撞應該產生這些粒子。這樣的探測將有力地證明超對稱性確實為我們的宇宙提供了一個解釋。

圖解:在標準模型中的費米子有六種是夸克(以紫色表示),有六種是輕子(以綠色表示),除了費米子以外,還有四種規範玻色子(以紅色表示),以及希格斯玻色子(以黃色表示)。

正如前一集所討論的,暗物質構成了宇宙中的大部分物質,但我們仍然不確定它是由什麼組成的。一種理論認為,這些迄今未被發現的超對稱粒子可能會彌補丟失的物質。因此,他們對大型強子對撞機的探測可以為天體物理學的相關領域提供答案。

關於不同力如何相互作用的某些理論進一步預測了超對稱粒子的存在,這些粒子不使用電磁力來感受彼此的存在。由於我們對日常環境的了解大多涉及電、磁、光,因此不以這種方式運行的電磁力被認為是「外來的」。在這一點上,這些粒子只是預測,因為不通過電磁力相互作用使它們更難被發現。然而,它們可能與希格斯玻色子相互作用。強化的LHC可能能夠確定這些粒子是否存在,以及我們的粒子理論哪一個更有可能是正確的。

圖解: 在大型強子對撞機觀測到的因質子碰撞而產生的希格斯玻色子候選事件:上方的緊湊渺子線圈實驗展示出衰變為兩個光子(黃虛線與綠實線)的事件,下方的超環面儀器實驗展示衰變為四個μ子(紅徑跡)的事件。

更高的能量也將允許在碰撞中產生更多的反物質。物理學家發現,物質的每一個粒子都有一個匹配的反粒子,它們幾乎完全相同,唯一的區別是它的電荷。當物質和反物質,如電子和正電子碰撞時,它們會湮滅,產生一股能量。物理學家無法解釋的是,為什麼宇宙中的物質比反物質多得多,而我們的理論告訴我們,它們應該在大爆炸期間產生等量的物質。研究更多的這些反物質粒子也許能找到答案。

與其他力量相比,重力實際上是一種相當弱的力量,儘管任何從樓梯上摔下來或從飛機上跳傘下來的人都可能不相信這一點。其實將我們身體中的原子結合在一起的力量才很強。一些物理學家認為,我們所經歷的引力可能很弱,因為它實際上是分散在額外的維度上的。

圖解:電影《地心引力》海報

圖源:百度百科


在我們的維度中被熟知的相同的粒子,可能會在重力更強大的額外維度中以更重的形式存在。這些重粒子完全是理論上的,但由於升級後的大型強子對撞機的高能量,這些重粒子可以被揭示出來。所以把這一切因素綜合在一起,LHC有能力揭示其他維度的存在!

圖解:電影《星際穿越》中多維空間劇照

圖源:百度百科

大型強子對撞機安全嗎?

所以,有這麼多關於外來粒子、反物質和額外維度的討論,你可能會問,「大型強子對撞機的實驗安全嗎?答案是響亮的「是」,儘管這些潛在的發現似乎接近科幻小說。

甚至在27公里長的超導磁體環最初被打開之前,就有很多不準確的報導聲稱物理學家正在冒著地球命運的危險做實驗。傳聞說大型強子對撞機有能力製造黑洞。有許多物理原因使這一設想不可能實現,但最令人信服的讓我們相信它是安全的證據是,我們仍然在這裡。

圖解:電影《星際穿越》中黑洞卡岡圖雅劇照

圖源:百度百科

在大型強子對撞機中產生的碰撞其實早已經在自然界中一次又一次地產生了。它們的自然發生正是大型強子對撞機的粒子物理學家對研究它們感興趣的原因。通過在一個相對可控的環境中近距離觀察它們,科學家們有望揭示我們宇宙中一些尚未解開的謎團,而這些謎團仍然是我們無法企及的。

有關大型強子對撞機工作原理的更多信息,請查看歐洲核子研究委員會(CERN)提供的事實和數據頁。


參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. quickanddirtytips-草莓芒果魔法師

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