作者:刘霞 来源:科技日报 发布时间:2015/1/16 11:25:34
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欧洲大型强子对撞机今年将“重出江湖”

 

本报记者 刘 霞 综合外电

对科学家们来说,2015年注定是不平凡的一年,因为欧洲核子研究中心(CERN)日前确认,目前全球最大、能量最高的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)将于2015年3月重启,助人类解开宇宙间的未解之谜。

研究人员表示,“重出江湖”的LHC可能会产生更高的质子束流能量,这将有助于他们深入研究希格斯玻色子;发现其他类型的希格斯玻色子、额外维等超出标准模型的新物理学理论;甚至为解开暗物质之谜开启新窗口。

有望揭示暗物质之谜

LHC是世界上最大的粒子碰撞设备,于2008年9月10日正式上岗,它包含一个圆周为27公里的圆形隧道。LHC使用大约9600块磁铁,将粒子加速到接近光速。这些磁铁由大约1万吨铁组成,总重量超过埃菲尔铁塔。其中最大的磁铁重达35吨,约15米长。

这些磁铁产生的磁场强度为地球磁场强度的10万倍,这些磁铁要在液态氦中进行冷却,这就使得LHC成为世界上最大的电冰箱。这些磁铁的工作温度为零下271.3摄氏度,比外太空的温度还低。

2012年,LHC帮助科学家们发现追寻了很久的“上帝粒子”——希格斯玻色子,这一粒子是物质的质量之源,赋予所有粒子质量。希格斯玻色子本身也有质量,为1250亿电子伏特,约为质子质量的130倍。

2013年2月,LHC关闭进行维护和升级。在此期间,科学家和工程师们进行了大规模的基础设施优化工作,对加速器和探测器都进行了升级,2015年的目标是以空前的13万亿电子伏特的质子束流能量进行实验,相较此前以7万亿至8万亿电子伏特的能量进行对撞实验,能量提高了约一倍。

美国布兰迪斯大学的实验粒子物理学家盖比瑞拉·肖拉近日接受美国趣味科学网站采访时表示:“能量加倍对于搜寻新粒子具有非常重要的影响。”肖拉目前是LHC的超环面仪器(ATLAS)研究团队中的一员。他说:“能量越高,能够产生的粒子的质量越大。”

LHC重启后有可能做出的一个重大发现是暗物质由什么粒子组成,这是宇宙间最大的谜团之一。科学家们认为,不可见的、神秘莫测的暗物质占据了宇宙间物质总量的六分之五。

美国加州大学欧文分校的实验粒子物理学家安德鲁·兰克福德接受采访时也表示:“提高LHC的对撞能量,增加了暗物质备选粒子的质量范围。”兰克福德也是ATLAS研究团队中的一员。

到目前为止,物理学家们一致认为,暗物质由未知的新粒子组成,这种粒子与普通物质之间的相互作用不仅微弱而且罕见。现有的粒子物理学标准模型中的所有粒子都无法解释暗物质,因此,必须由超越标准模型的新的物理学来解释,其中之一是超对称理论。这一理论认为,标准模型中所有已知粒子都有一个迄今还未被发现的“同伴”,比如,电子的同伴“超电子”等。

肖拉说:“能否找到超对称粒子的踪迹,取决于粒子之间的高能碰撞。”

尽管科学家们表示,LHC不能直接探测到任何暗物质粒子,但肖拉解释道,当LHC将质子粉碎后,能量的消失可能暗示着暗物质粒子的生成和存在。

或找到其他希格斯玻色子

LHC可能会做出的另一个重大突破是,或许发现其他类型的希格斯波色子。肖拉解释说:“LHC证明了一类希格斯玻色子的存在,但这并不意味着没有其他希格斯玻色子的存在。它们可能是拥有不同质量的希格斯波色子,超对称理论也预测到了这一点。”

更多地了解希格斯玻色子同其他粒子之间的相互作用或许也有助于揭示暗物质的性质。兰克福德说:“希格斯粒子和暗物质粒子之间可能存在着非常非常罕见的相互作用,这将有助于科学家们厘清暗物质究竟是什么。希格斯粒子可能是进入暗物质世界的钥匙。”

或将发现额外维

最后,LHC可能发现所谓的Z玻色子,它是传递弱相互作用的Z玻色子的伴子。理论表明,Z玻色子比Z玻色子更重。弱相互作用、强相互作用、电磁力和引力是四大基本力,弱相互作用是造成放射性原子核或自由中子衰变的短程力,与核聚变和放射衰变有关。

几乎任何大统一理论都表明Z玻色子确实存在,其中也包括一些支持额外维存在的理论。肖拉说:“Z玻色子的质量为Z粒子的数十倍,能采用一种非常简单的方式发生衰变,产生两种高能μ介子。如果我们能探测到Z玻色子衰变产生的μ介子的信号,那么,我们或许可以证明Z玻色子的存在。”

鉴于以上种种,在LHC工作的研究人员都对其2015年重出江湖充满期待。

 
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