为什么物理学需要大型强子对撞机以外的粒子对

为什么物理学需要大型强子对撞机以外的粒子对

时间:2020-03-24 05:27 作者:admin 点击:
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在欧洲大型强子对撞机内部,质子以299,792,455米/秒的速度通过,仅比光速慢3米/秒。 高能物理领域存在一个问题,一方面,我们有粒子物理学的标准模型:描述宇宙粒子及其相互作用的量子场论。从核反应堆到放射性衰变,再到宇宙粒子,再到高能加速器,标准模型已经通过了所有设计出来的实验测试。

另一方面,标准模型并没有解释一切。暗物质、暗能量、基本常数的值,以及为什么宇宙是由物质而不是反物质构成的起源,都是悬而未决的未解之谜。当大型强子对撞机在2008年启动时,它被设计用来寻找标准模型的最后一个坚守者:希格斯玻色子,但是它还没有解开其他谜团。

这些粒子轨迹来自于2014年欧洲大型强子对撞机的一次高能碰撞。大型强子对撞机上令人难以置信的探测器能够重建粒子的构成,以及它们在接近碰撞点时的表现。 很简单,我们所知道的每个粒子的属性都是有规则的。我们所需要的是任何两个预先存在的粒子之间的相互作用,其中:

有足够的自由能通过爱因斯坦的E = mc^2产生新的粒子和反粒子。 所有的量子守恒定律包括电荷、色电荷、自旋、角动量等都被遵守。 标准模型允许创建粒子和反粒子的交互作用。 高能对撞机通过遵循这个公式,不仅成功地制造出了作为标准模型一部分存在的每一个粒子,而且可以测量它们的物理性质。

标准模型中的粒子和反粒子现在都已被直接探测到,而最后一个不愿被探测到的粒子希格斯玻色子,则是本世纪初在大型强子对撞机上落下的粒子。所有这些粒子都可以在欧洲大型强子对撞机的能量下产生,粒子的质量会产生基本常数,这些常数是完全描述它们所必需的。这些粒子可以用量子场理论的物理原理很好地描述。 当你想到物理性质时,你可能会想到质量、电荷、大小、自旋等等。这些当然是粒子属性的重要组成部分,但并不是一个详尽的列表。由于标准模型允许和禁止的相互作用,大多数粒子不是无限期稳定的,而是有一个有限的寿命,在此之后它们会衰变。

由于量子物理的规则,对于“这个粒子什么时候会衰变,它会衰变成什么?”这个问题,没有一个确定唯一的答案。相反,我们只有一组概率。我们可以量化一个粒子的平均寿命、它可能的衰变路径、与每个粒子相关的概率等等。如果我们有正确的物理学理论,对这些性质的预测应该与我们从类对撞机实验中得到的实验结果相匹配。

粒子物理学的标准模型解释了四种力中的三种(重力除外)、发现的全部粒子以及它们之间的所有相互作用。是否有额外的粒子和相互作用是人们可以在地球上建造的对撞机发现的,这是一个有争议的话题,但只有当人们探索过当前的能量边界,才能知道答案。 只是,我们知道标准模型不可能是绝对正确的。当然,它似乎是一个更深层、更基本的理论版本,在某种程度上,没有任何实验反驳这个理论。但新粒子、场和相互作用的必要性对于完全描述已知宇宙的整体是不可否认的。

无论物理现实的最终真相是什么,标准模型不可能是它的全部,肯定还有更多。最大的问题是:标准模型的正确性如何?如果能量达到现在的10倍、100倍或1000倍,我们还能看到新的粒子吗?在粒子衰变的第3位、第5位或第9位有效数字上,我们是否会看到偏离其预测?或者,它会成为我们能力所及的标准模型吗?

未来的圆形对撞机计划是在2030年建造一个周长可达100公里的大型强子对撞机,这几乎是目前地下隧道长度的四倍。 大型强子对撞机,到目前为止,在实验中是绝对不可思议的。除了揭示基本粒子希格斯玻色子的标准模型之外,它还探索了能量前沿,使之达到前所未有的高值。标准模型中最重的粒子是顶夸克,大型强子对撞机探测到的能量几乎是它的100倍。

如果有新的粒子被发现,且能量范围约为7000 GeV/c^2,大型强子对撞机就有能力找到它们。如果在已知粒子中发现了偏离预期的、标准模型预测的行为,大型强子对撞机也有能力探测这些行为。然而,由于前所未有的大能量碰撞从未在实验室中实现,所有的一切都只与普通的旧标准模型一致。

观测到的希格斯粒子衰变通道与标准模型一致。到本世纪30年代,大型强子对撞机的数据量将是现在的50倍左右,但许多衰变通道的精确度仍然只有少数人知道。未来的对撞机可以将这种精确度提高几个数量级,从而揭示潜在新粒子的存在。 这对粒子物理学来说虽然不是灾难,但挺令人失望。在过去,当我们把能量前沿推进到新的领域时,不仅发现了正在寻找的粒子或现象,而且还发现了额外的惊喜,它们为我们提供了对现实本质的新见解。大型强子对撞机不是这样的。

希格斯玻色子似乎是标准模型所预测的普通粒子,其衰变速率、寿命、质量、宽度或分支比没有变化。另一种标准模型粒子,当受到这种新层次的审视时,似乎也能说明标准模型是多么正确、没有偏差。新物理学的唯一线索是幽灵粒子,证明它们只是数据中的随机波动,与标准模型一致。

当两个质子碰撞时,它们的成分不仅是夸克、还有胶子及其他场的相互作用。所有这些都可以提供对单个组分自旋的观测,并允许我们在达到足够高的能量和亮度时创造潜在的新粒子。 该领域面临的一个重大存在主义问题是:它们将何去何从?有两条主要途径:

蛮力路径。增加碰撞的能量、碰撞的次数,以及我们可以创建的每种标准模型粒子的数量,以便更好地观察它们的衰变、分支比、寿命等。 巧妙的方法,即进行特定的实验以寻找可能导致其他标准模型之外的物理暗示的现象,如中微子振荡、夸克胶子等离子体条件或其他奇异的场景。 一定有新的可能会通过推进实验粒子物理学的前沿而被探测到。这些选项包括新的物理、新的力、新的交互作用、新的耦合,或者任何一组奇异的场景,包括人们还没有想到的。

当人们揭开宇宙无知的面纱,并且探索能量和精确的前沿,我们将开始获得前所未有的数据。如果希格斯玻色子衰变的新物理学出现在小数点后7位,或者W+的衰变分支比与W-略有不同,那么唯一可能揭示这一点的工具就是一台新的对撞机。新粒子的特征可以显示为对标准模型预测的一个非常小的修正,并且产生大量的衰变粒子,如重玻色子或夸克。

此图显示了标准模型的结构,以一种比基于4x4方形颗粒更完整、更少误导的方式显示关键关系和模式。特别是,这个图描述了标准模型中的所有粒子包括它们的字母名称、质量、自旋、旋向性、电荷以及与规范玻色子的相互作用。它还描述了希格斯玻色子的作用,以及电弱对称破缺的结构,说明希格斯真空期望值是如何破缺电弱对称的以及剩余粒子的性质是如何改变的。 但如果不建立一个,就永远不会知道这些超越标准模型的新的物理特征是否会被揭示。很有可能在很多数量级的能量中都找不到。虽然新的粒子、场或相互作用确实存在,但它们可能不会在大型强子对撞机探测不到的100万或更多倍的范围内出现。

粒子物理学的终极噩梦不是大型强子对撞机除了希格斯玻色子什么也找不到,也就是说,人类在地球上建造的任何对撞机都无法找到任何东西。现在,在这个时候,人们有人力,有知识基础,有基础设施去尝试下一代对撞机。如果在未来几年错失眼前的机会,就可能永远不会建造出唯一一台有机会将我们带到目前已知极限之外的机器。

当然,在标准模型之外还有新的物理学,但它可能要到能量远远大于地球对撞机所能达到的水平时才会出现。