|
如果你想探索基础物理学的前沿，你必须以非常高的能量碰撞粒子：有足够的能量，你可以产生不稳定的粒子和状态，这些粒子和状态在我们日常的低能量宇宙中是不存在的。只要你遵守宇宙守恒定律，并且有足够的自由能量，你就可以通过爱因斯坦的E=mc²从能量中创造出任意大质量粒子（或其反粒子）。  2014 年 LHC 高能量碰撞产生的粒子轨迹显示了许多新粒子的产生 传统上，有两种策略可以做到这一点。
诺贝尔奖得主卡洛·鲁比亚呼吁物理学家们建造一个全新的设备：一个μ介子对撞机。尽管它高大尚，目前并不实用，但它可能是粒子物理学的未来。  粒子和反粒子标准模型 上图，您可以看到标准模型的粒子和反粒子，这些都已经被发现了。标准模型列表中最晚发现的是希格斯玻色子，由欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）经过长期的努力，终于在本世纪初发现。尽管在大型强子对撞机上还有很多科学工作要做，但它只占到20世纪30年代末全部数据的2%——粒子物理学家已经在展望下一代的未来对撞机。 所有提出的计划都涉及到现有技术的扩展版本，这些技术已经在过去或现在的加速器中使用过。我们知道如何直线加速电子、正电子和质子。我们知道如何直线加速电子、正电子和质子。我们知道如何将它们弯曲成一个环，并最大化碰撞能量和每秒碰撞的粒子数。  （上图说明：拟建的未来圆形对撞机（FCC）的规模，与欧洲核子研究中心（CERN）和Tevatron（以前在费米实验室运营）的LHC相比。未来圆形对撞机可能是迄今为止对下一代对撞机最具远见的提议，包括作为拟议科学计划的各个阶段，包括瘦子和质子选项。） 当然，我们可以运用的每种方法都会有优缺点。您可以构建一个线性对撞机，但您能达到的能量将受限于您向这些粒子提供每单位距离能量的能力，以及您构建加速器的时间。缺点是，如果没有连续注入循环粒子，线性碰撞器的碰撞率较低，收集相同数量的数据的时间也更长。 对撞机的另一种主要风格是欧洲核子研究中心目前使用的风格：环形对撞机。在让粒子有机会碰撞之前，不要只连续拍摄一次以加速粒子的速度，而是在将粒子弯曲成一个圆圈的同时加快粒子速度，每次旋转时，向每个顺时针和逆时针光束添加越来越多的粒子，您可以在指定的碰撞点设置探测器，并测量有什么被碰撞出来。  （上图说明：ATLAS探测器中的一个候选希格斯粒子事件。请注意，即使有清晰的信号和横向轨迹，也会有大量其他粒子；这是因为质子是复合粒子。这只是因为希格斯粒子给了组成这些粒子的基本成分质量。在足够高的能量下，目前已知的最基本的粒子可能会分裂。） 这是首选的方法，只要您的隧道足够长并且您的磁铁足够强，对于电子/正电子和质子/质子碰撞器都是如此。与线性对撞机相比，使用环形对撞机，您将获得：
一般来说，电子/正电子对撞机更适合对已知粒子进行精确研究，而质子/质子对撞机更适合探测能量边界。  （上图说明：大型强子对撞机阿特拉斯探测器中的一个四μ介子候选事件。μ介子/反μ介子轨道以红色突出显示，因为长寿命μ介子比任何其他不稳定粒子行驶得更远。大型强子对撞机所获得的能量足以产生希格斯玻色子；以前的电子-正电子对撞机无法获得必要的能量。） 事实上，如果你将LHC（将质子与质子碰撞）与同一隧道中的前一个对撞机（LEP，与正电子碰撞）进行比较，你会发现一些令大多数人吃惊的东西：LEP 内部的粒子比之前的粒子要快得多。LHC 内部的那些！ 宇宙中的一切都受到真空中光速的限制：299792458米/秒。不可能将任何大质量粒子加速到这个速度，更不用说超过它了。在大型强子对撞机中，粒子被加速到每粒子7 tev的极高能量。考虑到质子的静止能量只有938兆电子伏（或0.000938兆电子伏），很容易看出它是如何达到299792455米/秒的速度的。 但是LEP的电子和正电子的速度更快：299792457.9964米/秒。然而，尽管速度如此之快，它们的能量仅达到约110吉伏，相当于LHC能量的1.6%。  欧洲核子研究中心的鸟瞰图 （上图说明：欧洲核子研究中心的鸟瞰图，概述大型强子对撞机的周长（共27公里）。同一隧道以前也被用来容纳电子正电子对撞机LEP。LEP 的粒子比LHC 的粒子快得多，但是LHC质子携带的能量比LEP电子或正电子携带的能量要大得多。） 让我们先了解碰撞粒子是如何产生新粒子的，产生新粒子的能量——E=mc²中的“E”来自两个碰撞粒子的质量中心能量。在质子-质子碰撞中，是内部结构发生碰撞：夸克和胶子。每一个质子的能量被分成许多组成粒子，这些粒子也在质子内部穿梭。当它们中的两个碰撞时，产生新粒子的能量可能仍然很大（高达2或3 tev），但不是全 14 TeV。 但电子-正电子的概念要干脆利索得多：它们不是复合粒子，也没有内部结构或能量在成分之间分配。以相反的方向将电子和正电子加速到相同的速度，100%的能量用于产生新的粒子。但是它不会接近14TeV。  （许多不同的轻子对撞机，其亮度（测量碰撞速率和探测次数）是质量碰撞能量中心的函数。请注意，红线是一个环形碰撞器选项，它提供了比线性版本更多的碰撞，但是随着能量的增加，它会变得不那么优越。超过380gev，圆形对撞机无法达到这些能量，像clic这样的线性对撞机是更好的选择。） 尽管电子和正电子比质子快得多，但粒子拥有的能量总量是由其速度和原始质量决定的。尽管电子和正电子更接近光速，但其中近2000个电子和正电子需要组成与质子一样多的静止质量。它们的速度更快，但静止质量要低得多，因此总的来说，能量更低。 有一个很好的物理原因，为什么即使有相同的半径环和相同的强磁场将它们弯曲成一个环，电子也不能达到与质子相同的能量：同步辐射。当你用磁场加速带电粒子时，它会发出辐射，这意味着它会带走能量。  （上图说明：相对论电子和正电子可以加速到非常高的速度，但会在足够高的能量下发出同步辐射（蓝色），阻止它们更快地移动。这个同步辐射是卢瑟福多年前预测的辐射的相对论模拟，如果你用引力场来代替电磁场和电荷，它就有一个引力类比。） 辐射出去的能量量取决于场强（平方），粒子的能量（平方），也取决于粒子的固有电荷质量比（与四次方）。由于电子和正电子的电荷与质子的电荷相同，但只有质子质量的1/1836，所以在环形对撞机中，同步辐射是电子-正电子系统的限制因素。你需要一个100公里左右的环形对撞机，以便在下一代粒子加速器中利用电子和正电子产生一对顶级反夸克。 这就是使用μ介子的重要思想。μ子（和反μ子）是电子（和正电子）的表亲，是：
最后一个区别是目前的释放机制：μ介子在衰变前的平均寿命只有2.2微秒。  （上图说明：费米实验室的一个早期设计方案（现在已经失效），它是世界上仅次于欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机的第二大粒子加速器的源头。） 然而，在将来，我们可能无论如何都能解决这个问题。你看，爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，随着粒子越来越接近光速，在观察者的参照系中，粒子的时间会变长。换句话说，如果我们让这个μ介子移动得足够快，我们就可以显著地增加它在衰变前的寿命；这就是为什么宇宙射线μ子一直穿过我们的原因！ 如果我们能将μ介子加速到与LHC质子在先前数据采集运行中获得的能量相同的6.5 tev，那么μ介子将存活135000微秒，而不是2.2微秒：足够的时间在衰变前绕LHC循环1500次。如果你能以这样的速度撞击一对μ介子/反μ介子对，你将拥有100%的能量——全部13 tev——可以用来制造粒子。  201兆赫射频模块 （上图说明：在费米实验室组装期间，展示了装有铜腔的201兆赫射频模块原型。该装置可以聚焦和准直μ介子束，使μ介子加速并存活2.2微秒以上。） 人类总是可以选择建造一个更大的环或者投资于制造更强的磁场；这是粒子物理学中获得更高能量的简单方法。但是对于电子和正电子的同步辐射，还没有治愈方法；你必须用更重的粒子来代替。对于质子内部的多组分粒子之间的能量分配，没有治愈方法；你必须使用基本粒子来代替。 μ介子是一个可以解决这两个问题的粒子。唯一的缺点是它们不稳定，很难长时间存活。然而，它们很容易制造：将质子束粉碎成一片丙烯酸，你就会产生介子，介子会同时衰变为介子和反介子。把这些μ介子加速到高能，并将它们准直成束，然后你可以把它们放在一个环形的对撞机里。  （上图说明：虽然许多不稳定粒子（基本粒子和复合粒子）都可以在粒子物理学中产生，但只有质子、中子（束缚在原子核中）和电子以及它们的反物质对应物和光子是稳定的。其他的一切都是短暂的，但是如果μ介子能保持足够高的速度，它们的寿命可能足够长，足以制造出下一代粒子对撞机) MICE的合作，也就是μ介子电离冷却实验，继续将这项技术推向新的高度，并可能使μ介子对撞机成为未来真正的可能。我们的目标是揭示大自然在等待我们的任何秘密，而这些秘密是我们无法预测的。 正如卡洛·鲁比亚自己说：“这些基本的选择来自自然，而不是个人。理论家可以做他们喜欢做的事，但最终决定权在自然。” |
|
|
