大型强子对撞机的5个发现

有时候，似乎一件小事就足以让你发疯。20世纪初，牛顿发现了万有引力，并完美地解释了一系列现象。麦克斯韦写了漂亮的电磁方程。有一段时间，物理学家似乎认为物理学的框架已经基本建立，然后只做了一些零碎的修复工作。然而，重视现实的开尔文在物理学上提出了两个“乌云”，引发了一场科学革命。“乌云”之一是热力学中的等能量分布定理。气体比热和热辐射能谱的理论解释与实验结果不同，特别是黑体辐射理论中的“紫外灾难”。

大型强子对撞机(照片来源:盖蒂图片)

粒子物理学和量子力学的研究对象是微观粒子。物理学家在这种研究方向上已经发现了两种基本力和许多奇怪的基本粒子。然而，直到20世纪70年代，物理学家对微观粒子的理解仍然局限于已经发现的数百种粒子，他们的工作只是测试和完善标准模型——占主导地位的理论。三十年后，物理学家使用加速器和对撞机发现了亚原子粒子，这非常重要。然而，仍然有许多问题:为什么一些粒子有质量，而另一些没有质量？四种基本力量能够统一吗？广义相对论和量子力学之间的矛盾可以消除吗？

这些悬而未决的问题会引发另一场革命吗？为了找到答案，我们需要一个更强大的粒子对撞机，例如，一个周长为16.8英里(27公里)的超导磁环，其内部温度低于外部温度，并且能够在超高真空中以接近光速的速度撞击粒子。2008年9月10日，价值100亿美元的大型强子对撞机(LHC)由来自世界各地的数百名科学家和工程师完成，欧洲核研究组织(CERN)很快打破了粒子碰撞的记录。

让我们从最著名的大型强子对撞机开始，回顾研究人员的研究成果。

希格斯玻色子

彼得·希格斯教授(照片来源:盖蒂图片社)

在宏观世界中，我们假设所有大小的粒子都有质量。然而，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成一种无形的力。它预测称之为介质的特殊粒子不应该有质量，但问题在于有些粒子确实有质量。

媒介是力量的载体。光子实际上是电磁波在空间中的传播，它可以与其他粒子发生电磁作用。w和Z玻色子传递弱相互作用力。然而，光子没有质量，根据欧洲粒子物理研究所，W和Z玻色子的质量几乎等于100个质子的质量之和。

1964年，爱丁堡大学的物理学家彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒以及布鲁塞尔*大学的罗伯特·布鲁特团队独立地提供了一个解决方案(以下简称为希格斯机制):假设有这样一个特殊的场，也称为希格斯场，粒子和场之间的相互作用程度决定了粒子转移的有效质量。如果希格斯场确实存在，那么应该有一种介质粒子——希格斯玻色子，但是需要像大型强子对撞机这样的设备来探测这种粒子的存在。

2013年，物理学家证实了希格斯玻色子的存在，其质量约为126千兆电子伏特，相当于126个光子的总质量。由于质量和能量相等，物理学家有时用电子伏特作为质量单位。这一结论不仅改写了相关的参考书，而且为研究宇宙的稳定性开辟了一个新的研究领域。例如，为什么宇宙中的物质比反物质多得多，以及暗物质的组成和丰度？

重夸克态

已故理论物理学家内森·伊斯古尔(照片来源:多伦多星报)

1964年，当两位研究人员试图理解强子(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，他们独立地提出了相同的观点，即亚原子粒子由三种类型的粒子组成。乔治·茨威格把它命名为Aces，默里·盖尔曼把它命名为夸克。三个夸克中有两个的同位旋是1/2，另一个的同位旋是0。同位旋为1/2的两种类型中，向上的一种)；沃德同位旋被称为上夸克。同位旋向下)；沃德被称为下夸克。那些同位旋为零的被称为奇怪的夸克。后来，物理学家发现了另外三种夸克，并分别将其命名为魅力夸克、顶部夸克和底部夸克。每个夸克有三种味道:红色、绿色和蓝色。

多年来，物理学家一直根据夸克的形成方式将强子分为两类:由三个夸克组成的重子(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？

2003年，日本的研究人员发现了一种奇怪的粒子，X (3872)，它似乎由一个迷向夸克、一个反迷向夸克和两个以上的其他夸克组成。在探索粒子的存在时，研究人员还发现了Z(4430)，这显然是一个四夸克粒子。后来，大型强子对撞机也发现了几个证据来证明这些粒子的存在，这与已经建立的夸克排列模型相反，至少有些矛盾。这种Z粒子转瞬即逝，可能在大爆炸后以微妙的方式出现。

未经证实的超对称性

大型强子对撞机的通用探测器(照片来源:盖蒂图像)

理论家们提出了超对称性，简称SUSY，来处理一些标准模型无法解决的问题。例如，为什么一些基本粒子有质量？如何将电磁力与强核力和弱核力联系起来？暗物质的成分是什么？此外，超对称性还建立了夸克和轻子之间关于如何形成物质的某种关系，玻色子是它们之间的相互作用媒介。像前面提到的重子一样，轻子(如电子)属于称为费米子的亚原子粒子，这与玻色子的量子性质相反。然而，根据超对称性，每一个费米子对应一个玻色子，反之亦然，每一个粒子都可以转换成其相应的粒子。

如果这是真的，超对称性意味着两种基本粒子类型(费米子和玻色子)只是同一个硬币的两面。如果相应的粒子相互抵消，数学中一些不可控的无穷大可以被消除。此外，标准模型中对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引力子，而引力子是物理学家在早期作为引力的载体提出来的。

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，然后揭示更深层次的问题，这可能导致新的理论甚至新的实验领域。迄今为止，自然界中还没有观察到超对称性。然而，超对称有许多版本。每个版本都与一个特定的假设相关。大型强子对撞机只选择了最优雅的版本。

协调运动

欧洲粒子物理研究所今天的重点是夸克胶子等离子体。

当研究人员校准大型强子对撞机的仪器时，他们通常不进行通常的质子-质子碰撞，而是选择用质子撞击铅核。这是一个令人惊讶的现象:通常由生成的亚原子碎片选择的随机路径被显式的协调所取代。

对于这种现象，有一种理论认为质子和铅核的碰撞会导致一种叫做夸克胶子等离子体(QGP)的奇怪状态，这种等离子体像液体一样流动，冷却后会产生协同粒子。布鲁克海文国家实验室和大型强子对撞机都通过碰撞铅和金等重离子产生了夸克胶子等离子体，这是黑洞外密度最大的物质。如果证明可以通过质子诱导的碰撞产生夸克胶子等离子体，那么尽管它在大爆炸后的存在时间很短，但它对后来科学家对大爆炸后宇宙状态的观察有重大影响。然而，现在的问题是碰撞释放的能量不足以形成假设的夸克汤。

尽管大多数物理学家同意这一观点，但仍有一些物理学家反对这一观点，并提出了一些解释。在胶子创造的理论领域中，粒子充当强大力量的载体，将夸克和反夸克转化为质子和中子。他们假设胶子以接近光速的速度运动，形成这个理论场，在这个理论场中，夸克和反夸克相互作用，形成质子和中子。如果这一假设成立，该模型可以为质子结构和相互作用提供有价值的见解。

新物理学的象征...可能不是

大型强子对撞机的数据分析

尽管听起来不合逻辑，但许多物理学家希望大型强子对撞机能帮助他们找到标准模型中的漏洞。毕竟，这个框架确实有问题。也许一两个极其重要的发现可以证明超对称性，或者至少提供新的研究方法。然而，如前所述，研究人员在用大型强子对撞机反复验证标准模型的同时，反复质疑和攻击一些奇怪的物理现象。当然，结果不是那么容易得到的，而且需要分析大量的数据。此外，大型强子对撞机尚未完全达到14兆电子伏特。这样，标准模型看起来不会太差。

如果在2013年关于B介子衰变的报告中有任何奇怪的迹象，他们可能已经进行了相关的研究，但是该报告显示B介子衰变为K介子和两个μ子(类电子粒子)，这不会引起任何波动，除非衰变模式不遵循标准模型。不幸的是，实验条件还没有满足这项研究的要求。然而，研究人员没有放弃，他们仍然坚持最终的数据分析。如果成功，这种奇怪的衰变模式可能会给物理学研究带来新的方向，这是许多物理学家一直在寻找的。

更多信息

作者笔记

大型强子对撞机建成后，一些人想知道如果希格斯玻色子不出现，物理学会发生什么。这不仅是大规模原子加速器存在的主要原因，也是限制标准模型应用范围的关键。

现在有一个更大的问题，它涉及到由第二代宇宙外偏振背景成像(BICEP2)测量的宇宙背景辐射。如果观察结果是正确的，那么希格斯场应该有足够的能量在大爆炸期间立即经历大收缩。换句话说，如果这两种观点都成立，那么我们就不应该争论为什么它们不能成立。

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