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大型强子对撞机最大的成就之一是发现了希格斯玻色子粒子。这里,艺术家对希格斯场的构想,它渗透到宇宙之中;当基本粒子与这个场相互作用时,它们就有了质量。
 
早在2008年,杏耀注册一束质子第一次绕着世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)旋转。十年后的今天,是时候总结一下我们从这一设施中学到的东西,以及未来的发展方向。
 
这包括大型强子对撞机可以进行的未来研究,以及可能的新设施,这些设施能够以远超大型强子对撞机所能达到的能量撞击粒子。目前已经提出了两种,或者三种可能的大型强子对撞机替代品。所以,让我们回顾一下过去十年我们所取得的成就。
 
大型强子对撞机的故事既令人振奋,又充满了动荡,从灾难性的损坏到运行初期的巨大磁铁,再到从悲剧中崛起的凤凰涅盘,再到后来坚实而令人兴奋的发现,包括希格斯玻色子的发现。这一发现为彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒赢得了诺贝尔奖,正如他们在半个多世纪前预测的那样。全世界关注粒子物理学新闻是不寻常的,但希格斯玻色子发现的消息却在全球范围内引发了新闻报道。
 
寻找新物理
 
物理学家们也在座位的边缘,等待着他们所希望的意想不到的发现。近半个世纪以来,科学家们对亚原子物质的行为已经有了目前的理论理解。这种理解被称为粒子物理学的标准模型。
 
该模型解释了普通物质的分子和原子的观察行为,甚至是迄今为止所观察到的最小的已知构件。这些粒子被称为夸克和轻子,夸克存在于构成原子核的质子和中子中,电子是最常见的轻子。标准模型还解释了所有已知力的行为,除了重力。这确实是一项非凡的科学成就。
 
然而,标准模型并不能解释理论物理中的所有问题。它没有解释为什么夸克和轻子似乎以三种不同但几乎相同的结构存在,称为世代。(为什么是三个?为什么不是两个?还是4个?还是一个?或20 ?)这个模型没有解释为什么我们的宇宙完全由物质构成,而爱因斯坦相对论中最简单的理解是宇宙也应该包含等量的反物质。
 
标准模型没有解释为什么对宇宙的研究表明,普通的原子物质只占宇宙物质和能量的5%。其余的被认为是由暗物质和暗能量组成。暗物质是一种只经历引力而没有其他基本力的物质,而暗能量是一种渗透宇宙的排斥性引力。
 
在大型强子对撞机首次运行之前,像我这样的物理学家希望原子加速器能帮助我们回答这些令人困惑的问题。最常被引用的解释这些谜题的候选理论被称为超对称性。这表明,所有已知的亚原子粒子都有“超级伴侣”对应粒子。这些反过来又可以解释暗物质,并回答其他一些问题。然而,物理学家还没有观察到任何超对称性。此外,大型强子对撞机的数据排除了包含超对称性的最简单理论。那么,大型强子对撞机完成了什么?
 
大型强子对撞机已经做了很多
 
除了希格斯玻色子之外,大型强子对撞机还为它的四项大型实验合作提供了数据,并发表了2000多篇科学论文。在大型强子对撞机内部,粒子相互碰撞的能量是费米实验室(Fermilab Tevatron)的6.5倍。在强子对撞机夺取这一桂冠之前,费米实验室的Tevatron在25年的时间里一直是世界上最强大的粒子加速器。
 
世界上最大的原子加速器,大型强子对撞机,在法国和瑞士的边界下形成了一个17英里长(27公里)的环。
 
这些标准模型的测试非常重要。这些测量数据中的任何一个都可能与预测不一致,而预测将导致一项发现。然而,事实证明,标准模型是一个非常好的理论,它对大型强子对撞机碰撞能量的预测, 杏耀客户端IOS不能下载 ,与对早期Tevatron能级的预测一样准确。
 
这有问题吗?在非常真实的意义上,答案是否定的。毕竟,科学是关于测试和拒绝错误的新想法,就像它是关于验证正确的想法一样。
另一方面,不可否认的是,如果科学家们能发现以前没有预测到的现象,他们会兴奋得多。这类发现推动着人类知识的发展,最终改写了教科书。
 
大型强子对撞机的故事还没有结束
 
所以,现在什么?大型强子对撞机的故事讲完了吗?几乎没有。事实上,研究人员正期待着设备的改进,以帮助他们研究目前技术无法解决的问题。2018年12月初,大型强子对撞机关闭,进行为期两年的翻新和升级。2021年春天,当加速器恢复运行时,它将以略微增加的能量返回,但每秒的碰撞次数将增加一倍。考虑到未来的升级计划,大型强子对撞机科学家迄今只记录了预期数据的3%。虽然需要多年时间来筛选所有的发现,但目前的计划是记录的数据是迄今为止所获得数据的30倍左右。随着更多数据的到来,大型强子对撞机还有很多故事要讲。
 
不过,尽管大型强子对撞机可能还要运行20年,我们完全有理由问,“接下来会发生什么?”粒子物理学家正在考虑建造一个后续的粒子加速器来取代大型强子对撞机。按照大型强子对撞机的传统,一种可能是质子束以令人难以置信的能量相互碰撞——100万亿电子伏(TeV),这比大型强子对撞机最高的14 TeV能力要大得多。但要实现这些能量需要两件事:首先,我们需要制造出两倍于在大型强子对撞机周围推动粒子的磁铁。这被认为是具有挑战性的,但却是可以实现的。其次,我们需要另一条隧道,就像大型强子对撞机的隧道一样,但它的直径要比大型强子对撞机大三倍以上,周长为61英里(100公里),大约是大型强子对撞机的四倍。
 
但是,这条大隧道将建在哪里?它的实际面貌将会如何?什么光束会碰撞,以什么能量碰撞?这些都是好问题。在设计和决策过程中,我们还没有得到足够的答案,但是有两个非常大而且很有成就的物理学家小组在思考这个问题,他们每个人都提出了一个新的加速器的建议。其中一项提议主要由欧洲研究小组推动,设想建造一个大型额外加速器,很可能位于日内瓦郊外的欧洲核子研究中心(CERN)实验室。
 
在一种想法下,那里的设施会使电子束和反物质电子发生碰撞。由于加速质子与电子之间的差异——电子束在环形结构周围损失的能量比质子束更多——这种光束将使用61英里长的隧道,但运行时的能量低于质子。另一项提议是使用同样的61英里长的加速器来撞击质子束。一个更为温和的提议是,重新利用目前的大型强子对撞机隧道,但使用更强大的磁铁。这一选择只会比大型强子对撞机现在的碰撞能量增加一倍,但它是一个更便宜的选择。[图片:在世界顶级物理实验室里]另一项主要由中国研究人员支持的提议设想了一个全新的设备,大概是在中国建造的。这台加速器的直径也将达到61英里,它将把电子和反物质电子碰撞在一起,杏耀手机客户端然后在2040年左右转变为质子与质子的碰撞。
 
这两个潜在的项目还在讨论阶段。最终,提出这些建议的科学家们将不得不找到一个或多个愿意为此买单的政府。但在此之前,科学家们需要确定使这些新设施成为可能所需的能力和技术。这两家公司最近都发布了关于他们设计的广泛而全面的文档。这还不足以建造他们所提议的设施,但足以比较未来实验室的预期性能,并开始汇总可靠的成本预测。
 
研究知识的前沿是一项艰巨的工作,从最初建造如此规模的设施的梦想,到该设施的运营,再到关闭,可能需要几十年的时间。在我们纪念大型强子对撞机第一束光束诞生10周年之际,有必要对该设施的成就以及未来将带来什么进行评估。在我看来,将会有令人兴奋的数据供下一代科学家研究。也许,只是也许,我们会学到更多大自然迷人的秘密。
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