从一声爆炸开始
宇宙就在那里，等待着你去发现它。
由福布斯撰稿人表达的意见都是他们自己的。
从一声爆炸开始致力于探索我们知道的宇宙以及我们怎样知道它的故事，重点放在物理学、天文学和宇宙告诉我们关于它自己的科学故事上。由博士科学家撰写并由天体物理学家爱善·西格尔编辑创建的，我们的目标是来分享科学发现的喜悦、惊奇和敬畏。
作者是福布斯的撰稿人。表达的意见是作家的那些。
在大型强子对撞机的阿特拉斯探测器中的一个四μ子事件候选。μ子/反μ子跟踪以红色高亮显示, 因为这个长寿的μ子比任何其它不稳定的粒子旅行的更远。ATLAS Collaboration/CERN
高能物理学正面临着有史以来最严重的危机。标准模型是完整的,
因为我们最成功的物理学理论的所有粒子已经被发现。在CERN的大型强子对撞机, 这个有史以来开发的能量最大的粒子对撞机(比任何先前的对撞机的能量超过六倍), 发现了长期寻求的希格斯玻色子, 但没有另外的。传统上,
发现新粒子的方法一直是用两种策略之一到更高的能量:
碰撞电子和正电子, 获得一个
"干净"的信号其中这个对撞机100% 的能量进入产生新的粒子。
碰撞质子和要么是反质子要么是其它质子,
得到一个凌乱的但由于这个更重的质子的质量到达更高的能量的信号。
这两种方法都有其局限性,
但一个不稳定的粒子可能会给我们一个第三个来使这个我们迫切需要突破的μ子的选择:。
标准模型中已知的粒子。这些都是已经被直接发现的基本粒子E.
Siegel
标准模型是由所有我们发现的基本粒子和反粒子组成的。它们包括六个夸克和反夸克, 每个三种颜色, 三个带电的轻子和三种类型的中微子, 连同它们的反粒子对应物和玻色子: 光子、弱玻色子 (w +,
w-, Z), 八个胶子 (附有颜色/反色组合)和希格斯玻色子。虽然在自然界中这些粒子的无数不同组合存在, 但只有珍贵的几个是稳定的。电子、光子、质子(由两个上和一个下夸克组成)并且如果它们在原子核中被绑在一起的话，中子(有两个下和一个上夸克)是稳定的,
连同它们的反物质对应物。这就是为什么我们在宇宙中看到的所有正常物质都是由质子、中子和电子组成的，另外的没有一个有稳定的重要的交互作用的。
虽然许多不稳定的粒子,
无论是基础和复合的能被粒子物理学产生,
只有质子、中子 (在原子核中束缚)和电子是稳定的,
连同它们的反物质的对应物和光子。其它的一切都是短暂的。当代物理学教育项目(CPEP)、美国能源部/ NSF / LBNL
你创造这些不稳定粒子的方式是通过在足够高的能量下碰撞这些稳定的粒子。由于爱因斯坦给定的E =
mc2的质量/能量等价的自然基本原理,
如果你有足够的能量你能把它变成纯的能量。(只要你遵守所有其它守恒定律)。这正是我们已经创造了几乎所有其它标准模型粒子的: 通过把粒子彼此在足够的你得出能量(e)是足够高来创造你正在试图发现的新粒子(质量m)的能量上碰撞。
从一个2014年在LHC的高能碰撞中放出的粒子轨迹显示许多新粒子的产生。这只是因为这个新的质量能被创造的碰撞的高能性质。
我们知道在我们发现的之外几乎肯定有更多的粒子。我们期望对重子不对称(为什么比反物质有更多的物质)一样的奥秘有粒子的解释, 宇宙中缺失的质量问题(我们猜想将由暗物质解决), 中微子质量问题 (为什么它们如此不可思议的轻), 引力的量子性质 (即,对引力相互作用应该有一个的承载力的粒子, 如引力子)和强CP问题(为什么某些衰变不会发生)等等。但我们的碰撞器还没有达到揭示这些新粒子的必要能量, 如果它们甚至存在的话。更糟的是:
目前的两种方法都有严重的可能禁止我们来建立重大的更高能量的碰撞器的缺陷。
CERN的一个鸟瞰, 有大型强子对撞机的周长(所有27公里)轮廓。Maximilien
Brice (CERN)
大型强子对撞机是目前的记录持有者, 把质子加速到在把它们一起粉碎前每个高达6.5Tev的能量。你能达到的能量只直接的成正比于两件事: 你的加速器半径(R)和用于将质子弯进一个圆圈(B)的磁场强度。一起碰撞这两个质子, 用13Tev的能量击中它们。但你永远不会在LHC做一个13
Tev的两个质子粒子碰撞的，只有一小部分能量可以经由E =
mc2来创造新的粒子的。原因何在？一个质子是由多重的复合粒子------内部的夸克、胶子、甚至夸克/反夸克对组成的, 也就是说只有一小部分能量进入制造新的质量的粒子。
在ATLAS探测器中一个希格斯粒子事件的候选。注意甚至怎样有清晰的签名和横向轨迹,有一个其它粒子的阵雨，这是由于质子是复合粒子的事实。The ATLAS collaboration /
CERN
你可能会认为然后用像电子和正电子一样的基本粒子代替。如果你把它们放在同一个圆环(同R)内,
并让它们受到同一个磁场(同一个B),
你可能会认为你能达到同样的能量,
只有这时100%
的能量会制造出新的粒子。这或许是真的, 如果不是为一个因素: 同步辐射。你知道, 当你在一个磁场中加速一个带电粒子时,
它会发出辐射。因为一个质子与它的电荷相比是如此巨大, 那个辐射是微不足道的,
你能把质子不用担心关于它的带到我们能达到的最高能量上。但电子和正电子只有一个质子质量的1/1836, 在相同的条件下同步辐射会把它们的能量限制到约0.114 TeV。
相对论的电子和正电子能被加速到非常高的速度,
但将发射足够高能量的同步辐射 (蓝色),
防止它们移动更快。Chung-Li Dong, Jinghua
Guo, Yang-Yuan Chen, and Chang Ching-Lin, 'Soft-x-ray spectroscopy
probes nanomaterial-based devices'
但有一个从来没有付诸实践的第三个选择:用μ子和反μ子。一个μ子意义上就像一个电子一样, 它是一个基本的粒子, 它有电荷的, 它是一个轻子, 但它比电子重206倍。这是足够大到对μ子和反μ子同步辐射并不重要的的, 这是伟大的!唯一的缺点？μ子是不稳定的,有一个在衰变之前仅2.2微秒的平均寿命。
原型的MICE
201-兆赫兹射频模块,有在费米实验室组装期间显示的这个安装的铜腔,该仪器可以聚焦并校直一束μ子束, 使μ子能被加速并存活超过2.2微秒Y. Torun /
IIT / Fermilab Today
不过,这可能是好的, 因为狭义相对论能拯救我们!当你把一个不稳定的粒子带的接近光速时, 它生存的时间量急剧增加,
多亏了相对论的时间膨胀现象。如果你把一个μ子一路带到了高达Tev 的能量上, 它将活13.5万微秒: 在衰变之前足够的来环绕大型强子对撞机1500次的时间。这一次, 你的希望是绝对真实的: 100% 的能量, 6.5Tev + 6.5Tev = 13Tev将可用于粒子的创造。
在费米实验室的一个全尺度的μ子反μ子对撞机的设计方案,世界上第二个最强大的粒子加速器的源头。Fermilab
我们总能建立一个更大的圆环或发明更强的磁铁,
我们很可能完全做到这一点的。但除了用更重的粒子外没有驯服同步辐射的方法,
毕竟没有不用它们来驯服在组成粒子的组分中的能量扩散的。μ子是不稳定的, 很难保持很长一段时间, 但随我们得到越来越高的能量,
这项任务变得越容易进展的。μ子碰撞器长期以来一直被捧为一个单纯的白日梦, 但最近的MICE合作进展------即μ子电离冷却实验-------已经证明了这毕竟是可能的。一个圆形的μ子/反-μ子对撞机可能是带我们超越LHC的达到的粒子加速器,并且， 如果我们幸运的话, 进入这个我们正在如此拼命寻找的新的物理学领域。
天体物理学家和作者爱善·西格尔是从一声爆炸开始！的创始人和主要作家。查阅他的第一本书，超越银河，并寻找他的第二本迁徙术（Treknology）今年 10 月！
https://www./sites/startswithabang/2017/04/07/can-muons-which-live-for-just-microseconds-save-experimental-particle-physics/#c369ac72de70
