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    深埋地下的对撞机 怎样洞悉微观世界的秘密

    日期 2020-05-20   来源:新华网 来源:科技日报   作者:记者 吴长锋  【 】   【打印】   【关闭

    大型(xing)强子对(dui)撞机(LHC)深埋在地下(xia)100米深、总(zong)长27千米的隧道内(nei)

     

      5σ和(he)3σ分别对应于科学结论“发(fa)现(xian)(xian)了新现(xian)(xian)象(xiang)(xiang)”和(he)“找到了新现(xian)(xian)象(xiang)(xiang)存在的(de)(de)迹象(xiang)(xiang)”,是科学家们宣告新发(fa)现(xian)(xian)的(de)(de)重要依(yi)据。对于基础性的(de)(de)重大发(fa)现(xian)(xian),科学界极为严谨(jin)严苛,不(bu)光要求实(shi)验(yan)发(fa)现(xian)(xian)的(de)(de)统计显著度达到5σ,还要能经得起时间(jian)的(de)(de)检验(yan)。

     

      中国科学(xue)技术大(da)学(xue)近(jin)代物(wu)理系特(te)任(ren)教授吴雨生

     

      2021年3月,欧洲核子研究中心(CERN)宣布,其大型强子对撞机(LHC)发现了(le)四种全新的(de)粒子,它们是四种不(bu)同的(de)四夸克态。

     

      迄今为(wei)止,LHC已(yi)经发现了(le)共(gong)59种(zhong)新(xin)(xin)强子,包括此次最(zui)新(xin)(xin)发现的四夸克态以及其他(ta)诸多(duo)粒子。那么,科学家们是如何确定(ding)他(ta)们发现了(le)“新(xin)(xin)粒子”呢?

     

      宣告新发现并不容易

     

      20世(shi)纪70年代,科(ke)学家们创立了粒子物理标准模型,清楚地(di)给出了组成世(shi)界(jie)的(de)(de)基本粒子的(de)(de)信(xin)息,包括它们的(de)(de)种类(lei)、质量、电(dian)荷、自旋以(yi)及它们之(zhi)间的(de)(de)相(xiang)互作用(yong)。标准模型好比一(yi)个宾馆套(tao)间的(de)(de)“手册”,上面清楚详细地(di)说(shuo)明(ming)了每(mei)一(yi)件物品的(de)(de)名称、种类(lei)、数量、位置等,从(cong)而(er)使客人能够非常(chang)舒服地(di)住在里面。

     

      在过去的近半(ban)个世(shi)纪(ji)中,科学家们在实验中发现的所有(you)粒子,都能在标准模型中找到对(dui)应的身份,并(bing)且(qie)其性质也与“手册(ce)”中的预测基(ji)本吻合(he)。

     

      “科学(xue)家(jia)们通过实(shi)验验证(zheng)并拓(tuo)展(zhan)理(li)论(lun)框架,一个核心的(de)(de)任务是去(qu)寻找标准(zhun)模型预言(yan)的(de)(de)但尚未发现(xian)(xian)的(de)(de),以(yi)及超出该理(li)论(lun)解释范畴的(de)(de)新现(xian)(xian)象(xiang)和新粒子。”中(zhong)国科学(xue)技术(shu)大学(xue)近(jin)代物理(li)系特任教授吴雨生告(gao)诉记者,这类(lei)新发现(xian)(xian)在人类(lei)一步一步揭开(kai)物质世界(jie)根本规律的(de)(de)科学(xue)研究(jiu)中(zhong)至(zhi)关重要。

     

      这一(yi)(yi)点从上个世(shi)纪以(yi)来的(de)诸多基(ji)础科学突破中(zhong)(zhong)都能得到佐证(zheng):从1905年通(tong)过光(guang)电效应证(zheng)实光(guang)子的(de)存在,到2012年发(fa)现(xian)希格斯粒(li)(li)子,标准(zhun)模型(xing)理论预言(yan)的(de)所有基(ji)本(ben)粒(li)(li)子均被发(fa)现(xian)。标准(zhun)模型(xing)预言(yan)下的(de)基(ji)本(ben)粒(li)(li)子研(yan)究,也使得人类在探(tan)索(suo)宇宙本(ben)源和物(wu)质(zhi)本(ben)质(zhi)的(de)路上越走越远(yuan):预测(ce)(ce)到反物(wu)质(zhi)的(de)存在、发(fa)现(xian)中(zhong)(zhong)微子质(zhi)量并(bing)不是(shi)零、观测(ce)(ce)到黑洞乃至探(tan)测(ce)(ce)到引力(li)波等。“每(mei)次新(xin)发(fa)现(xian)都如同向静谧深邃的(de)潭(tan)水投入一(yi)(yi)块(kuai)石(shi)头,激起(qi)圈(quan)圈(quan)涟漪,推进一(yi)(yi)系(xi)列新(xin)科学、新(xin)技术的(de)诞生。”吴雨生说。

     

      “在粒子(zi)物理(li)实(shi)验中,新现(xian)象的(de)发(fa)现(xian)到底是否确凿(zao)可信(xin),一(yi)般用统计(ji)学中的(de)显(xian)著(zhu)程度(du)来表征。显(xian)著(zhu)度(du)表达为高(gao)斯分布标准(zhun)差的(de)倍(bei)数(shu),即几(ji)倍(bei)σ(西格玛)。”吴雨(yu)生(sheng)告(gao)诉记者,倍(bei)数(shu)越大则越可信(xin)。“如果显(xian)著(zhu)度(du)为5σ,这(zhei)个新发(fa)现(xian)被认(ren)为确凿(zao)无(wu)疑,以假乱(luan)真的(de)可能性(xing)甚至(zhi)低于百万分之一(yi),而3σ显(xian)著(zhu)度(du)的(de)实(shi)验结果也较(jiao)为可信(xin),所对应的(de)存伪(wei)概(gai)率(lv)仅为千分之一(yi)。”吴雨(yu)生(sheng)说。

     

      吴(wu)雨(yu)(yu)生告诉记(ji)者(zhe),5σ和(he)3σ分别对应于(yu)科(ke)学结论“发现了(le)新现象”和(he)“找到了(le)新现象存在(zai)的(de)(de)迹象”,是科(ke)学家(jia)们(men)宣告新发现的(de)(de)重(zhong)(zhong)要(yao)依据。对于(yu)基础(chu)性的(de)(de)重(zhong)(zhong)大发现,科(ke)学界极为严(yan)谨(jin)严(yan)苛,不光要(yao)求(qiu)(qiu)实(shi)验发现的(de)(de)统计显著度(du)达到5σ,还(hai)要(yao)能(neng)经得起时(shi)间(jian)的(de)(de)检(jian)验。“另外(wai),还(hai)要(yao)求(qiu)(qiu)有(you)独立进行(xing)的(de)(de)其他实(shi)验去重(zhong)(zhong)复(fu)验证其结果。”吴(wu)雨(yu)(yu)生说(shuo)。

     

      对标准模型的检验从未停止

     

      “自从(cong)标准模(mo)(mo)型诞生(sheng)以来,人们对标准模(mo)(mo)型的检验(yan)(yan)(yan)就从(cong)未停止(zhi)过。”吴雨生(sheng)说,探索微(wei)观世界的奥妙(miao),就必须要有可(ke)(ke)靠的实验(yan)(yan)(yan)手(shou)段来观测各(ge)类(lei)物理现象(xiang),这些实验(yan)(yan)(yan)手(shou)段需要能(neng)产生(sheng)微(wei)观粒子并进行反应,能(neng)记录并分析反应结果,从(cong)而与理论预言(yan)对比(bi)。“在不同(tong)方(fang)案、不同(tong)条(tiao)件下(xia)进行大量(liang)精密实验(yan)(yan)(yan),可(ke)(ke)以全方(fang)位地检验(yan)(yan)(yan)标准模(mo)(mo)型,并且(qie)有可(ke)(ke)能(neng)发(fa)现那些稀(xi)有的、模(mo)(mo)型内和模(mo)(mo)型外的新现象(xiang)。”他说。

     

      粒子(zi)物(wu)理(li)学轻子(zi)家(jia)族(zu)中最著名(ming)的(de)(de)(de)粒子(zi)是电(dian)子(zi),电(dian)子(zi)是物(wu)质(zhi)的(de)(de)(de)关键(jian)组(zu)成(cheng)部分。但电(dian)子(zi)并不(bu)是轻子(zi)家(jia)族(zu)唯一的(de)(de)(de)成(cheng)员,它(ta)有两个更重(zhong)的(de)(de)(de)兄弟姐妹,μ子(zi)和τ轻子(zi),它(ta)们一起(qi)被称为三种轻子(zi)口味或“味道(dao)”。根据(ju)粒子(zi)物(wu)理(li)标准模(mo)型,这些兄弟姐妹之间唯一的(de)(de)(de)区别应该是质(zhi)量:μ子(zi)比(bi)电(dian)子(zi)重(zhong)约200倍(bei),而(er)τ轻子(zi)比(bi)μ子(zi)重(zhong)约17倍(bei)。

     

      按(an)照标准(zhun)模(mo)型(xing),每种(zhong)味(wei)(wei)与(yu)一(yi)个(ge)W玻色(se)子(zi)(zi)都(dou)可(ke)能(neng)有一(yi)样的(de)(de)相互作用。“轻(qing)子(zi)(zi)的(de)(de)味(wei)(wei)道又称‘代’,电子(zi)(zi)、μ子(zi)(zi)以及(ji)τ轻(qing)子(zi)(zi),分属标准(zhun)模(mo)型(xing)中(zhong)(zhong)的(de)(de)三个(ge)不(bu)同代。人类(lei)的(de)(de)每一(yi)代之间(jian)可(ke)能(neng)会有‘代沟’,但(dan)在(zai)标准(zhun)模(mo)型(xing)中(zhong)(zhong),不(bu)同代的(de)(de)相应(ying)轻(qing)子(zi)(zi)虽然(ran)胖瘦(shou)不(bu)一(yi),即质量不(bu)同,但(dan)它们都(dou)必(bi)须以相同的(de)(de)面貌(mao)参与(yu)微观世界的(de)(de)各类(lei)聚会,即基本粒子(zi)(zi)的(de)(de)反应(ying)过(guo)程,这就(jiu)是轻(qing)子(zi)(zi)味(wei)(wei)普适(shi)性的(de)(de)预(yu)言。”吴(wu)雨(yu)生(sheng)说。

     

      “这是一(yi)个很(hen)奇妙的(de)(de)(de)(de)预(yu)言,许多(duo)物(wu)理(li)学家(jia)希望寻找违背这个普适性的(de)(de)(de)(de)新现(xian)象,来探究超越标(biao)准模(mo)(mo)型理(li)论存在的(de)(de)(de)(de)可(ke)能性。”吴雨(yu)生说(shuo),近期(qi)媒体报道的(de)(de)(de)(de)LHCb的(de)(de)(de)(de)一(yi)个实(shi)验工(gong)作,就是专注于检验标(biao)准模(mo)(mo)型的(de)(de)(de)(de)一(yi)个基本预(yu)言,即违背轻子(zi)普适性现(xian)象的(de)(de)(de)(de)可(ke)能迹象。“这个实(shi)验结果(guo)引(yin)起了(le)很(hen)多(duo)关注,但(dan)显著度尚远不足以(yi)宣称新发现(xian),并有(you)待时间的(de)(de)(de)(de)检验,以(yi)及后面其他实(shi)验的(de)(de)(de)(de)验证。”

     

      “轻(qing)子(zi)味的(de)普适性(xing)已经被在不同的(de)过程和能量范围内进行了高精度(du)的(de)探(tan)索。尽管轻(qing)子(zi)味普适性(xing)原理已经通(tong)过了最新的(de)测试(shi)和检验(yan),但在发现的(de)许(xu)多(duo)反常现象被明确探(tan)测之前,大型强子(zi)对撞机实验(yan)仍在继续(xu)进行。”吴雨生(sheng)说。

     

      加速器与对撞机联手寻找谜底

     

      新的(de)基本粒子靠什(shen)么来寻找?答案(an)是(shi)通(tong)过加速(su)器和对撞机。

     

      “简(jian)单(dan)地(di)说,加(jia)速(su)器(qi)就(jiu)是带电(dian)粒子(zi)借由电(dian)场(chang)增加(jia)能(neng)(neng)量(liang)(liang),通过具有能(neng)(neng)量(liang)(liang)的(de)(de)带电(dian)粒子(zi)进行(xing)科学研究(jiu),比如(ru)说去(qu)打靶或者进行(xing)对撞。比如(ru)说我们家庭中的(de)(de)电(dian)视(shi)机就(jiu)是一个最简(jian)单(dan)的(de)(de)直线加(jia)速(su)器(qi)。”吴(wu)雨(yu)生说,电(dian)子(zi)经(jing)过电(dian)视(shi)机的(de)(de)加(jia)速(su)就(jiu)会得到一定的(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang),能(neng)(neng)量(liang)(liang)单(dan)位叫做电(dian)子(zi)伏特。电(dian)场(chang)是用来加(jia)速(su)带电(dian)粒子(zi)的(de)(de),也就(jiu)是给它提供能(neng)(neng)量(liang)(liang),增加(jia)速(su)度。

     

      加速(su)器(qi)(qi)可以粗略地分成两类:一类叫做直线(xian)(xian)加速(su)器(qi)(qi),一类是(shi)环形加速(su)器(qi)(qi)。直线(xian)(xian)加速(su)器(qi)(qi)就(jiu)是(shi)粒子(zi)(zi)走(zou)直线(xian)(xian),环形加速(su)器(qi)(qi)就(jiu)是(shi)粒子(zi)(zi)通过磁(ci)场一圈一圈都(dou)在里面运转。

     

      “有了(le)加速器,就可以用它(ta)进行科学研究,用带电粒子(zi)去(qu)打原(yuan)子(zi)核(he)或(huo)者(zhe)对撞。”吴雨生(sheng)说,粒子(zi)撞击人眼是看不见(jian)的(de),因此需(xu)要用探测器,相当于代替人眼来看对撞之后产生(sheng)的(de)粒子(zi)的(de)种(zhong)类、多少和特性(xing)。

     

      对(dui)(dui)撞(zhuang)机也分两类:一个(ge)是(shi)直(zhi)线对(dui)(dui)撞(zhuang)机,粒子相(xiang)(xiang)向(xiang)运动(dong),在一个(ge)对(dui)(dui)撞(zhuang)点对(dui)(dui)撞(zhuang)。另一个(ge)是(shi)环形(xing)对(dui)(dui)撞(zhuang)机,正(zheng)负电子是(shi)相(xiang)(xiang)对(dui)(dui)而(er)行,一圈(quan)一圈(quan)不停地加速,再进行对(dui)(dui)撞(zhuang)。

     

      “加速器既是一门物(wu)理科学(xue),同(tong)时还是技术(shu)与工程,这(zhei)是粒子加速器的(de)一个非常(chang)重要的(de)特点。”吴雨生说。

     

      上(shang)世(shi)(shi)纪(ji)60年代,世(shi)(shi)界上(shang)第一台正负电子对(dui)撞(zhuang)机(ji)在(zai)(zai)意大(da)利建成。其后在(zai)(zai)日内瓦的欧洲核子中心(CERN),建成世(shi)(shi)界上(shang)最大(da)的正负电子对(dui)撞(zhuang)机(ji)LEP。之后科学家将LEP拆(chai)除,在(zai)(zai)其隧道中建成了(le)世(shi)(shi)界上(shang)最大(da)的质子对(dui)撞(zhuang)机(ji)LHC。

     

      “因(yin)为我们要探(tan)索的(de)物质(zhi)最(zui)深(shen)层(ceng)的(de)尺寸越(yue)来(lai)越(yue)小,而探(tan)测的(de)物质(zhi)层(ceng)次(ci)越(yue)深(shen),看的(de)东西越(yue)小,就(jiu)需(xu)要‘光线’的(de)波长越(yue)小,能(neng)量(liang)就(jiu)必须越(yue)大(da)。因(yin)此对(dui)撞机的(de)高能(neng)量(liang)是(shi)必然需(xu)求。”吴雨生说(shuo),世界上最(zui)大(da)的(de)质(zhi)子(zi)对(dui)撞机LHC也是(shi)能(neng)量(liang)最(zui)高的(de)粒子(zi)加速器,它深(shen)埋(mai)在地(di)下100米深(shen)、总长27千米(含环形隧(sui)道)的(de)隧(sui)道内。

     

      “LHC体积巨(ju)大(da),能将粒子(zi)加速到接近(jin)光速,这正是强磁场使(shi)粒子(zi)围(wei)绕加速环(huan)运行的(de)结(jie)果。其(qi)磁场强度非常大(da),因(yin)此(ci)如果摆在(zai)地面上,周边很大(da)范(fan)围(wei)内就不允许(xu)其(qi)他设(she)施(shi)和人员存在(zai)。”吴雨生说,LHC深(shen)埋(mai)地下(xia),也是为(wei)了排(pai)除其(qi)他干扰,获(huo)得一个更纯粹的(de)实验(yan)环(huan)境。

     

      “大(da)型强子对撞机(ji)能量状态可与宇(yu)宙大(da)爆炸后(hou)不久的(de)(de)(de)状态相比。科学家利(li)用质子碰撞后(hou)的(de)(de)(de)产物(wu)探索物(wu)理(li)现象(xiang),例(li)如,寻找到标准(zhun)模(mo)(mo)型预言的(de)(de)(de)希格(ge)斯粒子,探索超(chao)对称、额外(wai)维(wei)等超(chao)出标准(zhun)模(mo)(mo)型的(de)(de)(de)新物(wu)理(li)等。”吴雨生说。

     

      事实上,在建造LHC的(de)过程中(zhong),科学(xue)家(jia)已经获(huo)得了许(xu)多改(gai)善我们生活的(de)科研成果。比(bi)如互联(lian)网最(zui)初就是欧洲核子研究中(zhong)心的(de)科学(xue)家(jia)为(wei)了解决数(shu)据传输问题而发明的(de),其他(ta)譬如癌(ai)症治疗、摧毁核废料以及帮助科学(xue)家(jia)研究气(qi)候变化等的(de)一些(xie)成果,也得益(yi)于大型强子对撞机。




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