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“核侦探”搜寻从大型强子对撞机中逃出来的隐

2019-04-03
“核侦探”搜寻从大型强子对撞机中逃出来的隐形粒子   几年之后,如果一群物理学家成功了,一座低矮的建筑将会从法国和瑞士之间的边界升起。这个仓库大小的附件将加入一个如此大的科学设施,它跨越了国界。而且,如果研究人员提出的构造是正确的,它可能会发现宇宙中缺失的部分。在大型强子对撞机(LHC)中,由几百个垂直的基岩花岗岩隔开,新建筑将包含一种叫做MATHUSLA设备的科学仪器(用于超稳定中性粒子的大规模计时Hodoscope),它以创世纪中寿命最长的人命名。它的工作是:寻找大型强子对撞机无法探测到的长寿命粒子。
大型强子对撞机的阿特拉斯实验是这台机器的两个大型万能探测器之一。图片:CERN
这个想法有些奇怪,大型强子对撞机是世界上最大、最强的粒子加速器:一环17英里(27公里)的超导磁体,每秒11245次,在接近光速下粒子相互碰撞,然后,每当有任何有趣的事情发生时,记录下结果。MATHUSLA与那台巨大机器的关系就像一条无害雷摩鱼,紧靠在大海兽的一边,吮吸着从大动物张开嘴里流出的零散食物残渣。但是一些物理学家认为,通过仔细研究这些微粒(在这种情况下,在大型强子对撞机壁上抛掷出的杂散、长寿命高能粒子),MATHUSLA将有助于解决LHC所面临的一系列问题,而这正是粒子物理学家不断增加的警报,并没有被攻克。
缺少的物理特性
量子宇宙现在是一个谜,大部分的碎片都不见了。科学家们已经发现并组合出了夸克、中微子、玻色子、介子和t轻子、光子和胶子,最著名的是希格斯玻色子——它们合在一起形成了一个称为标准模型的图像。但这张照片形状怪异,充满了空洞,暗示着还有更多的物理现象有待发现。一个缺口是希格斯玻色子。正如多伦多大学(University of Toronto)教授大卫·科廷(David Curtin)和MATHUSLA概念的创始人之一所解释的那样:希格斯粒子并不像量子物理学预测的那么大,因此目前的宇宙模型要求在希格斯相关方程中有一个“修正”。
2016年5月9日凌晨,LHCb探测器上的质子与质子碰撞显示,图片:LHCB
几个世纪的经验告诉科学家,像这样的修正通常代表着研究者们尚不了解的事物。阿尔伯特·爱因斯坦的宇宙常数就是一个例子,他坚持自己的广义相对论来解释科学家后来发现的宇宙膨胀影响——这是爱因斯坦从未怀疑过的,后来后悔没有预料到。科廷解释说,物理学家怀疑希格斯粒子的质量出奇的小,意味着其他未被检测到的粒子在那里影响着它。这和现实中的其他奇怪的裂缝——就像科学家们所说的暗物质——宇宙中所有缺失的、神秘的物质——表明物理学家们还没有看到很多物理现象。
大型强子对撞机的目的是填补宇宙之谜中的空白
杰西·谢尔顿(Jessie Shelton)是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的理论物理学家,他帮助编辑了一份关于数学的论文,她说:迄今为止,除了希格斯玻色子本身的发现之外,LHC一直令人失望。希格斯玻色子出现了,但从那以后,即使在对机器进行了一系列的升级之后,对新粒子的搜寻也一无所获。这可能是因为人类已经耗尽了我们能够探测到的粒子供给。或者是LHC,也许是因为它的探测器存在问题,或者因为它的光束太弱,根本无法胜任这个任务。暗物质告诉我们:那里绝对有新的东西,不幸的是,没有任何保证,不管我们有什么办法,都可以在大型强子对撞机上探测到。大型强子对撞机(LHC)的成本高达数百亿美元,还无法探测出希格斯粒子之外的新物理现象,就很难在未来建造更大的探测器了。
全新理念
今年4月,谢尔顿在俄亥俄州哥伦布市举行的美国物理学会(APS)的大型会议上站在一群物理学家面前,他认为LHC可能已经制造出了缺失的粒子,但可能无法探测到它们。这是因为大型强子对撞机的所有传感器都是通过校准来检测特定的事件:一个奇异的粒子出现在两个质子的高能碰撞中。它将一个令人难以置信的短时间衰变为更稳定的,不那么奇异的粒子,它在一个恒星爆炸的所有方向上都有条纹。这些粒子通过电离板和围绕对撞机光束的闪烁晶体,它们的特定模式为物理学家提供了关于它们来自何种外来粒子的线索。
谢尔顿说:大型强子对撞机已经可以通过一些重新校准来获取长寿命粒子的信号。即使是通常寿命较长的粒子,有时也会迅速衰减。而一些长寿命的粒子在衰变之前可能会在传感器中留下蛛丝马迹。检测它们可能是重新校准探测器和算法问题。谢尔顿把这个计划叫做“关闭标签”。但也许缺少的外来粒子不会像LHC的设计者希望的那样迅速衰退。也许像“gluinos”和“复合暗胶粘球”这样的投机性粒子确实存在,它们出现在大型强子对撞机上,但并没有在狭窄的隧道中衰变。如果gluino,甚至可以存活几分数第二个长于物理学家的预期,皮尔斯对撞机的墙壁,旅行数百码通过固体花岗岩埋大型强子对撞机,因此它的签名将远远超出大型强子对撞机的探测能力,奇怪的夸克和介子。
尽管如此,这些研究人员认为,探测长寿命粒子的最大希望就在法国-瑞士边界的森林里。MATHUSLA,本质上是一个65英尺高(20米)的仓库,里面装满了粒子探测器,位于大型强子对撞机的顶端,它将研究完全脱离LHC的粒子。大型强子对撞机(LHC)的粒子对撞机(LHC)的光束从数学模型中分离出来,在厚厚的一层花岗岩中,LHC的放射性混沌将会消失。只有相对罕见的长寿命粒子在穿过地球和进入传感器室时才需要探测。如果一个看不见的粒子出现并衰变,可见的粒子(它会衰变)会在天花板上出现。”“(探测器)层将会看到这些轨迹,就像LHC内部的追踪器一样。”但这个(探测器阵列)要大得多。
在一个更大的探测区域中,用较少的粒子探测,MATHUSLA可以构建非常详细的奇异粒子的图片——只要有外来的粒子在那里探测就行了。“你就在那儿等着,鸟儿鸣叫,然后,突然间,有一个-“Curtin制造了一个机枪的快速的声音,或者在这种情况下,也许是从一个胶子上扔出带电粒子”。由于这种缓慢的速度和更大的空间,MATHUSLA所需要的电子和工程比LHC本身要简单得多。他和他的同事们设想,这一规模应该仅仅是数十亿美元的大型强子对撞机成本的一小部分——大约在5000万美元左右,MATHUSLA的设计者们希望欧洲核子研究中心(CERN)将为这项法案买单。但他们也对来自非欧洲国家或个别富人的资助抱有希望,(大型强子对撞机)可能已经在制造这些东西了。  

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