具备更高能量的LHC将于2015年投入使用—资讯—科
时间:2017-12-07

  高能量的LHC将在2015年投入使用 - 新闻 - 科学网

  如果一个粒子看起来像一个希格斯粒子并且性质非常相似,那么它很可能就是标准的希格斯粒子。这是CERN使用大型强子对撞机(LHC)的最新研究。物理学家一直试图描绘2012年发现的希格斯玻色子。到目前为止,每个测试都证实了这个新发现的粒子与标准粒子物理模型描述的希格斯玻色子非常吻合。希格斯粒子理论是由罗伯特·布劳特,弗朗索瓦·恩格勒特和彼得·希格斯于1964年首先提出的。除了布鲁特在2011年未能获得该奖项外,另外两人在2013年获得诺贝尔奖。

  实际上,科学家们一直渴望找到这个理论的偏差,因为它可能会把物理学带到一个新的阶段。例如,如果希格斯玻色子的衰减与模型预期的略有不同,这意味着在衰变过程中还有另外一个未知的新粒子。然而,最新的研究并没有发现任何未知颗粒参与衰变过程的证据。

  下一阶段,能源较高的大型强子对撞机将于2015年初投入使用,为科学家提供更多的研究机会。通过LHC,科学家可以建立新的物理学理论来更全面地解释整个宇宙。负责LHC紧凑蛤壳式(CMS)实验的美国莱斯大学(Rice University)的物理学家保罗·帕德利(Paul Padley)说:希格斯玻色子的发现并不是结束,而是一项新研究的开始。多年的工作是详细研究希格斯玻色子。

  当物理学家首先开始用LHC研究希格斯粒子时,他们主要是通过它们衰变到其他玻色子的过程来识别的。希格斯粒子可以衰变为规范玻色子,这是能量粒子,如携带电磁力的光子;希格斯粒子也可衰变成携带弱力的W和Z玻色子。现在,CMS的研究人员在“自然物理学”上报告说,他们发现了希格斯粒子衰变的证据,成为一种费米子,一种由电子和夸克组成的粒子。虽然标准模型预言希格斯粒子会衰变成费米子,但事先没有得出结论。

  科学家认为,希格斯玻色子与希格斯场有关,在整个宇宙中是不可见的,粒子在希格斯场中移动,并与希格斯场相互作用以获得质量。希格斯粒子衰变成其他类型的玻色子的最初发现证明希格斯场与玻色子相互作用。现在最新的研究证明,希格斯场也可以和费米子相互作用。这一发现证明了一个科学思想,即科学家们可以使用单一标准的希格斯玻色子模型来解释所有粒子获得质量的方式。但是有一些假设,希格斯玻色子不仅是一个,希格斯场不仅是一个,每个希格斯玻色子和希格斯场都与一些特定的粒子相互作用,给出粒子的质量。

  匹兹堡大学理论物理学家艾瑞斯·弗雷塔斯(Ayres Freitas)表示:“最新的发现并不排除其他希格斯玻色子的可能性,但这是一个有力的证据,标准模型需要调整。另外,这是可能的在宇宙中只有两种希格斯玻色子,而且在大多数情况下它们一起工作来给粒子提供质量。

  LHC研究的下一阶段将为物理学家提供更多的数据,他们可能能够证明或排除多个Higgs玻色子的可能性。目前,物理学家还不确定希格斯玻色子的衰减速度是多少,以便成为馈线的费用。另外,对与Higgs场的相互作用强度知之甚少。弗雷塔斯说,这种相互作用的强度可能不同于标准模型预测的结果,偏见可能是希格斯玻色子存在的第二个线索。如果其他种类的希格斯玻色子确实存在,那么高能量的LHC可以描绘它们。

  LHC首次投入使用后,升级后可输出最大8兆伏的电能,最高可达13兆伏。由于超导磁体技术的改进,加速器长27公里,在地面环绕一圈。更强大的磁场以更快的速度将质子推入加速器环空,当碰撞和爆炸时确保更强的磁体。升级后的LHC也将这些碰撞的质子更紧密地结合在一起,使得光束更加密集,并将其物理上称为更亮的质子,从而促使质子更猛烈地碰撞。总而言之,物理学家希望大型强子对撞机下一阶段转换的希格斯玻色子的数量是原来未升级的转换次数的300倍。

  弗雷塔斯说:更高的转换率意味着物理学家可以更准确地测量希格斯玻色子的性质。例如,新的研究数据揭示了Higgs场与多个粒子(如玻色子和费米子)的相互作用有多强烈,可能是之前预期的两倍甚至三倍。升级后的LHC使我们有机会发现以前找不到的东西,但是我们对这些未知事物的性质一无所知。

  标准模型没有涵盖粒子的超对称性,粒子被认为是每个已知粒子的基本属性,每个粒子都应该有一个玻色子。一旦理论成立,这将为物理学开辟一个新的世界。到目前为止,还没有研究证实这种超对称性,但升级的LHC本身可以产生这种超对称粒子。即使LHC没有做到这一点,也可以用微妙的方式证明这种财产的存在。例如,当希格斯玻色子衰变成各种粒子时,这些对称粒子可能会在量子幻影的外观中消失。如果科学家能更准确地测量希格斯玻色子的衰变率,他们将更有可能证实这种超对称性的存在。

  帕德利说:一些科学研究的真正含义不在于什么是一个沉重的新发现,而在于那些我们纠正了认知偏见的原始概念。

  标准模型也不考虑暗物质的存在。暗物质是科学家认为不会与普通粒子相互作用的隐形粒子,而暗物质是整个宇宙中最大的组成部分。伊利诺斯大学的费尔米拉布国家加速器实验室的研究人员理查德·卡瓦诺说:希格斯玻色子与其他粒子相互作用使后者的质量,所以希格斯玻色子可能与暗物质粒子相互作用。如果希格斯粒子真的衰变成暗物质粒子,他们将离开大型强子对撞机而没有研究人员的知识,尽管研究人员不能直接检测到它们,暗物质粒子的分离反映在剩余粒子的还原上,这可以证明存在来自侧面的暗物质粒子。

  毕竟,没有人知道LHC会带来什么,但科学家们非常期待各种未知的可能性。卡瓦诺说:此刻,我觉得当一名物理学家真是太棒了。当我想到我的工作时,我每天早上醒来。 (段辛涔)

  中国科学通报(2014-07-09第3版国际)

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