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新葡亰2229大型强子对撞机(LHC)是人类有史以来建造的最大机器
技术百科 2020-04-21 19:14

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与世界上最大的原子加速器一起工作的物理学家如今发现最新、最奇怪的粒子——希格斯玻色子在大部分时间里都在衰变。作为一个重量为130个质子的亚原子粒子,“上帝粒子”希格斯玻色子持续的时间仅有1纳秒的一万亿分之十,随后它便衰变为更小的粒子。 用瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室的大型强子对撞机工作的物理学家8月28日报告说,已经发现了希格斯粒子衰变为一个叫做底夸克的粒子和它的反物质对应物—— 一个反底夸克。这一“常见衰变”的捕获被研究人员看作是探索希格斯玻色子的里程碑。 根据粒子物理学标准模型预测,57%的时间内希格斯玻色子都会衰变成一对底夸克,也就是6种夸克中第二重的夸克。然而具有讽刺意味的是,观察到这种衰变是非常困难的,因为LHC中极其混乱的碰撞产生了大量的底夸克和反底夸克,从而掩盖了所需的信号。 新的观测结果支持了标准模型对这一“常见衰变”的预测。研究人员说,如果观测结果与标准模型的预测不符,则会动摇标准模型的基础并指出新的物理学方向。 40多年前,科学家们建立起一套名叫“标准模型”的粒子物理学理论,但这一理论一直缺少最后一块拼图,即希格斯玻色子。这一难以寻觅又极为重要的“上帝粒子”被认为是解释其他粒子如何获取质量的关键。2012年7月,LHC研究人员宣布发现希格斯玻色子,这是LHC最为显赫的成绩。 研究人员介绍,希格斯玻色子有多个衰变通道,此次观测到其常见的衰变通道绝非易事,主要困难在于质子和质子的碰撞中存在许多产生底夸克的其他方法,因此很难将希格斯玻色子衰变信号与相关干扰隔离开。相比而言,物理学家在6年前发现希格斯玻色子时观察到它不太常见的衰变通道——比如衰变为一对光子——则更容易从背景中提取。这一衰变理论预测只有9%的时间发生。 为提取信号,大型强子对撞机两个实验项目组ATLAS和CMS各自组合了大型强子对撞机的两次运行数据进行分析。结果检测到希格斯玻色子衰变为一对底夸克。此外,两个项目组还在当前的测量精度范围内测量到与标准模型预测相一致的衰减速率。 ATLAS合作发言人卡尔·雅各布表示,这一最新发现是探索希格斯玻色子过程中的一个里程碑,表明ATLAS和CMS实验对其数据的深刻理解和对背景的控制已经超出了预期。 希格斯粒子是物理学家对所有其他基本粒子如何获得质量的复杂解释的核心。这一新的发现标志着科学家搞清希格斯玻色子是否真的会以标准模型预测的速率衰变为各种粒子组合的一个关键步骤。如果衰变速率与理论预测不相符,那将是一个确定的迹象,表明新的粒子仍有待发现,并可能在LHC的掌握之中。

大型强子对撞机的上次运行得到了海量数据,物理学家正在从中分析新粒子留下的蛛丝马迹。为此,他们必须精确计算不同粒子反应的概率。根据费曼传下来的方法,这种计算最后总是在算一个积分,而随着精度越来越高,积分会复杂到令人生畏的程度。最近,数学家提供了一个新方法,可以有效地简化计算,甚至可能解决原来完全不可能计算的问题。

大型强子对撞机(LHC)是人类有史以来建造的最大机器。质子对撞时,会分裂成它们的组成部分(包括夸克和将夸克粘合在一起的胶子),并产生新的粒子。正是通过这样的过程,大型强子对撞机在2012年首次探测到了希格斯玻色子。在粒子物理学标准模型预言的粒子中,希格斯粒子曾是缺失的最后一个。现在,物理学家希望大型强子对撞机能找到一些真正全新的东西:现有理论中没有的粒子比如能解释暗物质之谜的粒子,或者为其他挥之不去的问题提供解决方案的粒子。

当然,如果我们不知道标准模型到底预测了什么,那么所有努力都毫无用处。这就是我的研究领域。关于LHC,我们的问题都是以概率的形式出现的。两个质子相互弹射的可能性有多大?我们每隔多久能产生一个希格斯玻色子?科学家用散射振幅来计算这些概率,这些公式告诉我们粒子以特定的方式互相散射的可能性有多大。包括我在内的一群物理学家和数学家正致力于加快这些计算。我们称自己为振幅学家。

振幅学家认为,我们这个领域的源头可以追溯到两位物理学家的研究斯蒂芬帕克(Stephen Parke)和托马什泰勒(Tomasz Taylor)。1986年,他们发现了一个描述任意数量胶子之间碰撞的简单公式,这个公式简化了原本需要逐个仔细计算的繁琐方法。但这个领域真正启动是在20世纪90年代和21世纪初,当时出现了一系列有望简化多种粒子物理计算的新方法。

如今,振幅学正在蓬勃发展。最近,我们向前迈出了一大步,超越了那些已经被我们发展为复杂技术的基本工具。我们正在进入一个新的计算领域,其能力足以跟得上大型强子对撞机不断增加的精度。有了这些新工具,我们已经准备好去检测标准模型的预测与大型强子对撞机实际数据之间的微小差异,这使得我们有望最终揭示物理学家梦寐以求的新粒子。