新的粒子加速器将为物理学取得突破

文章作者:管理一号 | 2019-01-07
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大型强子对撞机的最大成就之一便是希格斯玻色子的发现。上图是希格斯场的想象图。希格斯场充斥着宇宙,当基本粒子与其相互作用时,就被赋予了质量

 

大型强子对撞机是世界上最大的粒子加速器设施,主要部分是位于法国和瑞士边界地下长度达27公里的圆形隧道

北京时刻12月25日音讯,据国外媒体报导,早在2008年,世界上最强壮的粒子加快器——大型强子对撞机(LHC)——射出了榜首道质子束。十年之后的今日,或许咱们应该好好评价一下从这一巨大设备中获取的效果,以及它未来的开展方向。

 

  对LHC的评价包括未来或许进行的研讨,以及或许缔造的新试验设备,在其内部磕碰的粒子能到达远高于LHC的能量。现在或许现已有两种或三种或许的LHC代替计划。那么,就让咱们盘点一下十年来所到达的效果,以及未来的方针。

  LHC的故事既令人振奋又好事多磨。在运转的开端几天里,这台仪器的巨大磁铁发生了灾难性的损坏;随后,它从这场悲剧中凤凰涅槃,取得了一些激动人心且颇有说服力的发现,包括希格斯玻色子的发现。英国理论物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)和比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)因为这一发现而取得了诺贝尔奖,他们在半个多世纪之前就预言了这种粒子的存在。让全世界的新闻媒体都报导粒子物理学的新闻是很难以想象的,但希格斯玻色子的发现做到了这一点。

  寻觅新物理学

  物理学家相同既严重又振奋,都在等候他们期望得到的意外发现。在将近半个世纪的时刻里,科学家现已对亚原子物质有了现在干流的理论了解。这种了解被称为粒子物理学的规范模型。

  该模型解说了物理学家观察到的惯例物质分子和原子——乃至迄今为止观察到的最小的已知构件——的行为。这些粒子被称为夸克和轻子,其间夸克存在于质子和中子内部,而质子和中子构成了原子核;电子则是最常见的轻子。规范模型还解说了除引力之外悉数已知力的行为。这是适当了不得的科学效果。

  可是,规范模型并不能解说理论物理学中的悉数。它不能解说夸克和轻子为什么好像能存在于三个不同的,但简直相同的类别中。这种分类称为“代”(generation),为什么是三代,不是二代或四代,或20代?规范模型也不能解说为什么咱们的世界完全由物质组成,对爱因斯坦的相对论最简略的了解现已指出,世界中应该包括等量的反物质。

  规范模型不能解说为什么对世界的研讨标明,由原子组成的惯例物质只占世界物质和能量的5%,其余部分被认为由暗物质和暗能量组成。暗物质是一种只遭到引力,而不遭到其他根本彼此作用影响的物质方式,而暗能量是一种充满世界的排斥性引力方式。

  在LHC的初次运转之前,一些物理学家期望经过对原子的炮击,能够协助回答这些令人费解的问题。处理这些难题时最常被引证的理论是超对称。该理论指出,悉数已知亚原子粒子都具有对应的“超对称”粒子。这些粒子反过来能够为暗物质和其他难题供给解说。可是,物理学家还未发现任何超对称的依据。更重要的是,LHC的数据现已排除了那些包括超对称性的最简略理论。那么,LHC取得了哪些效果?

  硕果累累的LHC

  除了希格斯玻色子外,LHC还为4个大型试验合作项目供给了许多数据,产生了超越2000篇科学论文。在LHC内部,粒子以高于费米试验室兆电子伏特加快器(Tevatron,又称为正负质子对撞机)6.5倍的能量彼此磕碰。在此之前,兆电子伏特加快器曾是世界上运转能量最高的粒子对撞机,而在坚持了25年之后,LHC总算取而代之。

  对规范模型的试验具有重要意义。任何一个丈量效果都或许与猜测不符合,而这就或许带来新的发现。可是,试验的效果显现,规范模型是一个十分好的理论,它能够对LHC的磕碰能量做出精确的猜测,就像此前对兆电子伏特加快器所做的猜测相同。

  那么,这是一个问题吗?十分认真地说,答案是否定的。终究,科学家更多的是试验并回绝过错的新主意,而承认正确的观念也相同重要。

  另一方面,不能否定,科学家在发现此前未曾估计会呈现的新现象时会愈加振奋。这类发现推进了人类的常识开展,终究乃至或许改写教科书。

  故事还未完毕

  那么,现在是什么情况?LHC现已通知咱们悉数的故事了吗?并不能这么说。事实上,研讨人员期待着对设备的改善,这将有助于他们研讨以现在技能还无法处理的问题。LHC在2018年12月初封闭,接下来两年将进行改造和晋级。2021年春,当这台加快器康复运转时,尽管能量仅仅略有提高,但每秒的碰击次数将加倍。考虑到未来计划中的晋级,LHC的科学家现在仅记载了3%的预期数据。尽管挑选悉数试验效果需求许多年时刻,但现在的计划是记载比迄今为止所记载数据多30倍的数据。跟着如此许多的数据连续呈现,LHC还有许多故事能够叙述。

  尽管LHC或许还将运转20年,但现在也能够很合情合理地发问:“下一步是什么?”粒子物理学家正在考虑缔造一个后续的粒子加快器来代替LHC。作为LHC的连续,一个或许性是以令人难以置信的能量——100TeV,远高于LHC规划最高的14TeV——使质子磕碰。不过,到达如此惊人的能量需求做到两件事:首要,咱们需求缔造强度更大的磁体,要比LHC用来推进粒子的磁体强壮两倍,这一点很有挑战性,可是应该能够完成;其次,咱们需求缔造另一条地道,与LHC的地道相似,但通道大3倍以上,其圆形地道周长挨近100公里,大约是LHC地道的4倍。

  可是,这条巨大的地道将在哪里缔造呢,它终究会是什么样?有哪些粒子束会以怎样的能量磕碰?这些都是很好的问题。现在的规划和决议计划进程还无法给出答案,但有两个十分巨大并且效果很高的物理学家集体正在考虑这些问题,他们各自提出了新加快器的想象。其间一个首要由欧洲的研讨小组提出的计划是,期望缔造一个另一个大型的加快器,地址很或许坐落日内瓦城外的欧洲核子中心(CERN)试验室。

  研讨人员的一个主意是,这个新加快器将使一束电子和反物质电子磕碰。因为质子束和电子束在加快时的差异——电子束会在圆形结构中比质子束失掉更多的能量——这束电子将运用约98公里的地道,可是会以比运用质子束时更低的能量。另一个主张是,仍是用相同的98公里地道来磕碰质子束。一个折中的主张是从头启用现在LHC的地道,但运用更强壮的磁体。这个选项尽管仅仅让LHC现在能到达的磕碰能量加倍,但却是一种本钱较低的代替计划。

  别的一个计划首要由我国科学家倡议,即树立一个全新的设备,地址或许在我国。这个加快器的地道周长也将在98公里左右,而它将进行电子和反物质电子的磕碰,到2040年再转变为进行质子-质子磕碰。

  现在这两个潜在计划还处于评论阶段。终究,提出这些计划的科学家有必要找到情愿为此供给资金支撑的政府或集体。在此之前,科学家还需求断定树立新设备所需求的才能和技能。两个物理学家集体最近都发布了广泛和具体的文字资料,论述了他们的规划。这些还不足以完成他们的想象,但现已足以比较未来估计的试验效果,并能开端整合出牢靠的本钱猜测。

  研讨前沿常识是一项艰巨的使命,从愿望缔造如此大规模的设备,到设备的终究封闭,其间或许要阅历数十年。在咱们留念LHC榜首束粒子碰击十周年之际,回忆效果并展望未来是很有必要的。跟着技能开展,下一代科学家将会有更多的数据来取得更激动人心的发现,咱们也将揭开大自然更多的诱人奥妙。

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