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大型强子对撞机的新粒子加速器将为物理学取得突破
发表日期:2019-03-31 22:11| 来源 :本站原创 | 点击数:
本文摘要:大型强子对撞机的最大成绩之一即是希格斯玻色子的发觉。上图是希格斯场的想象图。希格斯场充溢着宇宙,当根基粒子与其彼此感化时,就被付与了质量 大型强子对撞机是世界上最大的粒子加快器设备,次要部门是位于法国和瑞士鸿沟地下长度达27公里的圆形地道 新

  大型强子对撞机的最大成绩之一即是希格斯玻色子的发觉。上图是希格斯场的想象图。希格斯场充溢着宇宙,当根基粒子与其彼此感化时,就被付与了质量

  大型强子对撞机是世界上最大的粒子加快器设备,次要部门是位于法国和瑞士鸿沟地下长度达27公里的圆形地道

  新浪科技讯 北京时间12月25日动静,据国外媒体报道,早在2008年,世界上最强大的粒子加快器——大型强子对撞机(LHC)——射出了第一道质子束。十年之后的今天,大概我们该当好好评估一下从这一复杂设备中获取的功效,以及它将来的成长标的目的。

  对LHC的评估包罗将来可能进行的研究,以及可能建筑的新尝试设备,在其内部碰撞的粒子能达到远高于LHC的能量。目前可能曾经有两种或三种可能的LHC替代方案。那么,就让我们清点一下十年来所达到的成绩,以及将来的方针。

  LHC的故事既令人振奋又一波三折。在运转的最后几天里,这台仪器的庞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,获得了一些冲动人心且颇有说服力的发觉,包罗希格斯玻色子的发觉。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)由于这一发觉而获得了诺贝尔奖,他们在半个多世纪之前就预言了这种粒子的具有。让全世界的旧事媒体都报道粒子物理学的旧事是很不成思议的,但希格斯玻色子的发觉做到了这一点。

  寻找新物理学

  物理学家同样既严重又兴奋,都在期待他们但愿获得的不测发觉。在快要半个世纪的时间里,科学家曾经对亚原子物质有了目前支流的理论理解。这种理解被称为粒子物理学的尺度模子。

  该模子注释了物理学家察看到的常规物质分子和原子——以至迄今为止察看到的最小的已知构件——的行为。这些粒子被称为夸克和轻子,此中夸克具有于质子和中子内部,而质子和中子形成了原子核;电子则是最常见的轻子。尺度模子还注释了除引力之外所有已知力的行为。这是相当了不得的科学成绩。

  然而,尺度模子并不克不及注释理论物理学中的一切。它不克不及注释夸克和轻子为什么似乎能具有于三个分歧的,但几乎不异的类别中。这种分类称为“代”(generation),为什么是三代,不是二代或四代,或20代?尺度模子也不克不及注释为什么我们的宇宙完全由物质构成,对爱因斯坦的相对论最简单的理解曾经指出,宇宙中该当包含等量的反物质。

  尺度模子不克不及注释为什么对宇宙的研究表白,由原子构成的常规物质只占宇宙物质和能量的5%,其余部门被认为由暗物质和暗能量构成。暗物质是一种只遭到引力,而不遭到其他根基彼此感化影响的物质形式,而暗能量是一种充溢宇宙的排斥性引力形式。

  在LHC的初次运转之前,一些物理学家但愿通过对原子的轰击,能够协助解答这些令人隐晦的问题。处理这些难题时最常被援用的理论是超对称。该理论指出,所有已知亚原子粒子都具有对应的“超对称”粒子。这些粒子反过来可认为暗物质和其他难题供给注释。然而,物理学家还未发觉任何超对称的证据。更主要的是,LHC的数据曾经解除了那些包含超对称性的最简单理论。那么,LHC取得了哪些功效?

  一无所获的LHC

  除了希格斯玻色子外,LHC还为4个大型尝试合作项目供给了大量数据,发生了跨越2000篇科学论文。在LHC内部,粒子以高于费米尝试室兆电子伏特加快器(Tevatron,又称为正负质子对撞机)6.5倍的能量彼此碰撞。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,而在连结了25年之后,LHC终究取而代之。

  对尺度模子的试验具有主要意义。任何一个丈量成果都可能与预测不吻合,而这就可能带来新的发觉。然而,试验的成果显示,尺度模子是一个很是好的理论,它能够对LHC的碰撞能量做出精确的预测,就像此前对兆电子伏特加快器所做的预测一样。

  那么,这是一个问题吗?很是当真地说,谜底能否定的。终究,科学家更多的是试验并拒绝错误的新设法,而确认准确的概念也同样主要。

  另一方面,不成否认,科学家在发觉此前不曾估计会呈现的新现象时会愈加兴奋。这类发觉鞭策了人类的学问成长,最终以至可能改写教科书。

  故事还未竣事

  那么,此刻是什么环境?LHC曾经告诉我们全数的故事了吗?并不克不及这么说。现实上,研究人员等候着对设备的改良,这将有助于他们研究以目前手艺还无法处理的问题。LHC在2018年12月初封闭,接下来两年将进行革新和升级。2021年春,当这台加快器恢复运转时,虽然能量只是略有提拔,但每秒的撞击次数将加倍。考虑到将来打算中的升级,LHC的科学家目前仅记实了3%的预期数据。虽然筛选所有试验成果需要很多年时间,但目前的打算是记实比迄今为止所记实数据多30倍的数据。跟着如斯大量的数据连续呈现,LHC还有良多故事能够讲述。

  虽然LHC可能还将运转20年,但此刻也能够很合情合理地提问:“下一步是什么?”粒子物理学家正在考虑建筑一个后续的粒子加快器来代替LHC。作为LHC的延续,一个可能性是以令人难以相信的能量——100TeV,远高于LHC设想最高的14TeV——使质子碰撞。不外,达到如斯惊人的能量需要做到两件事:起首,我们需要建筑强度更大的磁体,要比LHC用来鞭策粒子的磁体强大两倍,这一点很有挑战性,可是该当能够实现;其次,我们需要建筑另一条地道,与LHC的地道雷同,但通道大3倍以上,其圆形地道周长接近100公里,大约是LHC地道的4倍。

  可是,这条复杂的地道将在哪里建筑呢,它事实会是什么样?有哪些粒子束会以如何的能量碰撞?这些都是很好的问题。目前的设想和决策过程还无法给出谜底,但有两个很是复杂并且成绩很高的物理学家群体正在思虑这些问题,他们各自提出了新加快器的设想。此中一个次要由欧洲的研究小组提出的方案是,但愿建筑一个另一个大型的加快器,地址很可能位于日内瓦郊外的欧洲核子核心(CERN)尝试室。

  研究人员的一个设法是,这个新加快器将使一束电子和反物质电子碰撞。因为质子束和电子束在加快时的差别——电子束会在圆形布局中比质子束得到更多的能量——这束电子将利用约98公里的地道,可是会以比利用质子束时更低的能量。另一个建议是,仍是用同样的98公里地道来碰撞质子束。一个折中的建议是从头启用目前LHC的地道,但利用更强大的磁体。这个选项虽然只是让LHC目前能达到的碰撞能量加倍,但倒是一种成本较低的替代方案。

  别的一个方案次要由中国科学家倡导,即成立一个全新的设备,地址可能在中国。这个加快器的地道周长也将在98公里摆布,而它将进行电子和反物质电子的碰撞,到2040年再改变为进行质子-质子碰撞。

  目前这两个潜在方案还处于会商阶段。最终,提出这些方案的科学家必需找到情愿为此供给资金支撑的当局或集体。在此之前,科学家还需要确定成立新设备所需要的能力和手艺。两个物理学家群体比来都发布了普遍和细致的文字材料,阐述了他们的设想。这些还不足以实现他们的设想,但曾经足以比力将来估计的尝试功效,并能起头整合出靠得住的成本预测。

  研究前沿学问是一项艰难的使命,从胡想建筑如斯大规模的设备,到设备的最终封闭,其间可能要履历数十年。在我们留念LHC第一束粒子撞击十周年之际,回首成绩并瞻望将来是很有需要的。跟着手艺成长,下一代科学家将会有更多的数据来获得更冲动人心的发觉,我们也将揭开大天然更多的诱人奥妙。(任天)

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