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探索自然世界的构成 在公元前600年的古希腊时代，“自然世界的构成”是一个热门话题。 古希腊哲学家试图用理性思维来理解肉眼观察到的自然循环和变化，如为什么水会变成冰，为什么空气凝结会变成水等等。米利特有三位哲学家:泰勒斯、安尼斯孟德和阿纳提姆，他们相信自然界的一切事物，尽管看起来是变化的，但一定是由一种基本的物质构成的。这三者对单一的基本物质持有不同的观点。 一百年后，德谟克利特提出了唯物主义:一切都是由一个微小的、不可分割的组成部分，他称之为原子。因为没有任何东西来自虚无，大自然的基石必须是永恒的。所有的原子都是坚硬的固体，但它们并不完全相同。自然界是由无数形状各异的原子组成的。德谟克利特不相信在自然界的变化过程中存在任何力量或灵魂。自然界的一切都是相当机械化的，一切都遵守必要的规则。 虽然这些希腊哲学家的思想非常简单和美丽，但他们没有实验基础。2000多年后,俄罗斯科学家门捷列夫开创了化学元素周期表,安排原子发现当时根据他们的原子量,和观察,这些原子的化学性质可以简化和分组,表明原子由更小的基本粒子。经过50多年的实验和理论的相互作用，物理学家建立了今天量子物理的标准模型。 在标准模型中，基本粒子包括夸克、轻子和作用体。有六种夸克六种轻子和它们的反粒子上夸克，下夸克，迷人夸克，奇夸克，上夸克，下夸克，电子，残余物，陶兹，电子中微子，中微子和中微子。四种作用体负责基本相互作用力的传递:光子负责电磁力，胶子负责强作用力，Z玻色子和W玻色子负责弱作用力。 夸克或轻子不直接通信。相反，它们通过像邮递员一样的演员彼此交流和互动。传输的信息的强度取决于粒子的电荷和力常数。夸克可以接收这四种作用体的信息，因为它们具有电磁电荷、色电荷和弱电荷。轻量化不带色彩电荷，因此无法接收胶子信息(不参与强力)。值得一提的是，中微子只有微弱的电荷，只能感受到微弱的力，因此被称为“鬼粒子”。 在电磁力中，强的力和弱的力，无疑，最容易感觉到和熟悉的是电磁力。正电核和负电电子通过光子相互吸引并结合形成原子;虽然原子是电中性的，但是两个非常接近的原子就像两个电偶极子一样相互吸引，这就叫做范德华力。原子群是由分子通过范德华力成键而组成的。电磁力决定原子和分子的化学性质。类似地，有色带电夸克(或反夸克)通过胶子与有色中性介子或重子结合;你所熟悉的质子和中子是许多上夸克和下夸克排列组合中最轻、最稳定的重子。质子和中子就像颜色的偶极子一样，相互吸引形成原子核。弱力量4到6个数量级小于部队和电磁力强劲,但他们实际上是地球上生命的起源:弱力量在阳光下氢转化为氦经过一系列的反应,释放光和热,和放射性衰变产物用于癌症治疗等医疗目的。 注意!当粒子被称为基本粒子时，就意味着我们认为粒子不能再被分割，没有内部结构。然而，不像我们的直觉认为基本粒子是不可变的，它们可以通过电磁或弱力衰减到其他较轻的基本粒子，尽管它们不能被分离。在标准模型中，只有第一代粒子构成稳定的物质，而其他粒子则构成寿命较短的物质(重子或介子)，最终衰变为第一代粒子或作用体。 当前量子物理学的主题 对于“自然世界是由什么构成的”这个问题，量子物理的标准模型虽然给了我们最接近真实世界的答案，但它并不是最理想和最完整的答案。许多问题仍未得到解答。这里有几个例子。 今天的物理学家和希腊哲学家有一个共同的信念，即自然可以由少量的规则决定，但标准模型中的基本粒子的数量似乎要大一些。这是否意味着夸克和轻子不是基本粒子，它们只是低能基本粒子的一面和两面?或者可能有很多基本粒子，我们还没有找到所有的夸克和轻子?细心的读者应该能够发现，引力还没有包括在标准模型中。还有另一个重子吗?此外，这些基本粒子的质量范围非常广:有比电子轻的中微子，有质量是质子质量184倍的顶夸克，质量比质子低11个数量级。为什么这些基本粒子有质量?在光化子中，光子和胶子没有质量，但是为什么W玻色子和Z玻色子的质量分别是质子的86倍和97倍呢?是因为它们与希格斯粒子的相互作用吗?那么为什么我们还没有发现希格斯粒子呢?在宇宙大爆炸的时候，据估计正粒子和反粒子的数量是相等的。为什么自然界中稳定的物质现在是由正粒子组成的?我们只能在实验室的产品中看到反粒子? 为了找到这些问题的答案，物理学家设计了一些实验来理解这些基本粒子的性质。在标准模型中，大多数粒子不可能稳定存在，但物理学家可以在更简单的实验室环境中制造它们，然后用相机式的探测器记录这些粒子或其衰变产物的轨迹，然后用计算机分析数据。 为了制造更轻的粒子或它们的反粒子，高速的电子或质子可以与金属靶碰撞，然后过滤掉不需要的产物，这就是目标设定实验。在美国布鲁克海文实验室、斯坦福直线加速器中心和费米高能实验室的目标设定实验中发现了迷人夸克和底夸克。但量子物理学家不仅想知道基本粒子的性质，还想发现希格斯粒子和标准模型之外的新粒子。大多数未发现的新粒子质量都很高，可能是质子质量的数百甚至数千倍。但是目标设定实验的缺点是不可能将整个系统的能量100%转化成质量来产生粒子。由于在所有的冲击中都必须保持动量守恒，所以系统的一部分能量必须贡献给撞击目标后的产物的动能，所以撞击后的产物的总动量等于发射体在撞击前的动量。 相反，对撞机实验用两个能量相同但动量相反的质子或电子进行碰撞，在静止状态下就能产生高质量的新粒子。也就是说，所有碰撞器的能量都转化为质量。在欧洲核研究中心和美国费米高能实验室的质子反质子对撞机实验中发现了高质量的W玻色子、Z玻色子和top夸克。 今天最具能量的对撞机是大型强子对撞机(LHC)，它经常出现在新闻报道中，位于瑞士日内瓦郊区的欧洲核子研究中心。 大型强子对撞机 LHC是一个圆形加速器，位于地下100米，周长26.7公里。它由一系列谐振器、1232偶极超导磁体和392四极磁体组成。电场的作用是加速带电粒子，磁场的作用是弯曲和聚焦带电粒子，使它们在四个碰撞点发生碰撞。LHC的四个碰撞点都有一个检测器来测量碰撞产生的粒子的性质。整个加速器横跨瑞士和法国。它是世界上最昂贵、最大、能量最大的强子加速器。所使用的强子大多是质子，而铅离子碰撞每年只发生一个月。因此，我们只引入质子碰撞。 LHC的整个实验结构由LHC加速器、前方加速器和碰撞点处的四个探测器组成:超导环场探测器(ATLAS)、紧凑型微米线圈(CMS)、大型离子对撞机(ALICE)和LHC底夸克探测器(LHCb)。首先，氢原子中的质子和电子被分解，质子在直线加速器中被加速到5000万电子伏特。接下来，质子被送到半径越来越大的圆形前级加速器——质子同步加速器推进器、质子同步加速器和超质子同步加速器，从而达到4500亿电子伏特的动能。为了增加物理反应和有趣粒子的概率，超过1011个质子被压缩在一个半径为30微米到45微米、长度约为10厘米的圆柱形空间中。加速器的每一阶段，除了加速质子组外，还在不断冷却和聚焦质子组，以实现高密度的质子束。最后，两束质子束在LHC轨道上顺时针和逆时针运行约20分钟，然后达到最大动能(LHC设计的最大值为7兆伏)。 让我们回顾一下带电粒子是如何在垂直于其运动平面的磁场中运动的:它们轨迹的曲率半径与磁场的大小成反比，与粒子的动量成正比。也就是说，如果粒子要保持在相同的圆形加速器轨道上，磁场的大小必须随动量变化。LHC磁场的最大强度为8.33特斯拉，轨道半径为26.7公里，这就决定了质子所能拥有的最大能量为7mv，也就是说，当质子碰撞时，质心系统的最大能量可以达到14mv。LHC曾使用了7兆伏的质心能量，它将质心能量增加到了8兆伏。一个兆伏的能量，相当于1.6尔格(1.6×10-7焦耳)，实际上是一只蚊子全速飞行所需要的能量，远远小于100克苹果下落1米所需要的动能(1焦耳)。 事实上，任何有质量的粒子都不能超过光速。当粒子的速度远远小于光速时，它又回到牛顿力学中的动能。当粒子速度接近光速时，粒子速度的增加速度比粒子动能的增加速度慢得多。 LHC研究小组 LHC碰撞点的每个探测器都有一个负责ATLAS、LHCb、CMS和ALICE的实验团队。其中ALTAS和CMS实验团队多达3000人。其主要目的是发现希格斯粒子，发现标准模型之外的新物质。ALICE，顾名思义，专门研究由铅离子碰撞产生的夸克胶子等离子体状态来理解宇宙的形成;LHCb专门研究底夸克的性质，以帮助理解正反粒子不对称和反粒子不对称的原因。 地图集探测器的尺寸最大:长46米，宽25米，高25米，相当于10层楼高，有三个篮球场那么大。CMS探测器重12.5万吨，相当于65头蓝鲸。除了4个碰撞点的检测器外，在ATLAS和CMS检测器的前端和后端分别有两个小检测器LHCf和TOTEM。 碰撞点上的探测器通常由多层子探测器组成。内层和最近的碰撞点为带电粒子轨迹探测器，外层为电磁和强子量热计，外层为隐蔽性探测器。 侦测粒子的轨迹 想要彻底了解粒子的性质，我们必须知道粒子产生时的动量大小、方向以及能量的大小，也就是所谓的四维动量。带电荷粒子的动量大小和方向，可以从它们在轨迹侦测器里所留下的信号算出——动量大小正比于粒子在磁场中运动轨迹的曲率半径；而质子一质子对撞点，也就是粒子产生点和轨迹侦测器有信号的位置，两点的联线方向便是动量方向。 常见的轨迹侦测器有硅晶轨迹追迹系统和气体漂移室。不管轨迹侦测器的材料为何，其物质密度都不能过高，这样当带电粒子经过轨迹侦测器时，只会损失非常微小的能量，而所测量到的动量便不会偏离带电粒子进入轨迹侦测器之前原有的动量。如果粒子本身是不带电荷的，但是会衰变到带正电和带负电的粒子，我们可以从这些衰变产物来推导出原来粒子的动量。 粒子的能量可以由电磁和强子量能器里的信号来得到。量能器是一种“破坏性”侦测器，本身可以诱发簇射，所以必须放在轨迹侦测器外围才不会干扰动量的测量。簇射产物中，起初只有少数高能量的次级粒子，这些次级粒子进一步被引发二次簇射、三次簇射……使得次级粒子的数目逐渐增加，而能量逐渐降低。一旦所产生的次级粒子能量够低并且带有电荷，这些次级粒子便会被量能器记录下来。 既然渺子带有电荷，我们可以用轨迹侦测器测量到它的动量，那么为何要在量能器外围再装一个渺子侦测器？ 原因是，在标准模型里，带电荷的粒子中，只有渺子可以在损失极小能量的情况下穿越量能器，而在渺子侦测器被侦测到。其他粒子不是早就衰变，便是已经在量能器里损失所有的能量，例如电子或正子在电磁量能器中损失所有能量。虽然渺子最终还是会衰变，不过它的生命期是2.2微秒，平均来说，对于一般对撞机所产生的渺子，至少要行进6000米才会衰变，这一距离显然远大于一般侦测器的大小。渺子侦测器的基本作用原理，事实上和靠近对撞点的轨迹侦测器一样，所使用的大多是气体漂移室。 如同前面所提到的，微中子不会和对撞机侦测器产生电磁交互作用或强交互作用，所以无法被直接侦测到。判别微中子的方法，只有看每个对撞事件是否有迷失动量。 在同一个质子一质子对撞事件里，所有粒子的总动量必须等于零，如果有粒子没有被侦测到，其他被侦测到的粒子的总动量便会不等于零，也就是说，这个对撞事件有迷失动量。迷失动量是所有侦测到的物理量里，最难校正的一项。侦测器要是有一个区域无法正常运行，或是被侦测到的粒子能量有误差。对撞事件便会产生一个“伪迷失动量”。虽然困难，但是许多粒子物理学家还是努力研究迷失动量，因为除了微中子之外，尚未发现的重力作用子、超对称粒子或其他新粒子，都有可能逃离侦测器而留下迷失动量。 |
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