建造50公里长的对撞机,能否揭开希格斯玻色子和顶夸克的奥秘?

建造50公里长的对撞机,能否揭开希格斯玻色子和顶夸克的奥秘?
2019年08月24日 09:36 新浪网 作者 博科园

大型强子对撞机是当今世界最强大的粒子加速器,其能量和研究物理学前沿的能力无人能及。但一切荣耀都是暂时的,最终,在2035年左右,这个长27公里的环型加速器将会熄灭。世界各地的竞争者都在争先恐后地争取资金支持,以使他们钟爱的对撞机理念成为下一个重大发现的缔造者。其中一个设计公布在《arXiv》上,被称为线性对撞机(CLIC)希格斯玻色子的真正性质是什么?又和顶夸克有什么关系?

建造50公里长的对撞机,能否揭开希格斯玻色子和顶夸克的奥秘?

能在标准模型之外找到一些物理学的线索吗?新的CLIC或许能够回答这些问题。大型强子对撞机(LHC)将一些被称为强子的重粒子撞击在一起,质子和中子是这个微观家族最常见的代表。在大型强子对撞机上,强子一圈又一圈地旋转,形成一个巨大的圆圈,直到它们接近光速并开始撞碎在一起。大型强子对撞机所产生的的能量,是地球上任何其他设备都无法比拟的,虽然令人印象深刻,但整个事情却有点混乱。毕竟,强子是聚集在一起的粒子,只是一袋更小、更基本的东西,当强子破碎时,组成部分就会散落一地,这使得分析变得复杂。

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相比之下,CLIC被设计成更简单、更清洁、更“手术”化。CLIC将取代强子,加速电子和正电子。这台加速器将沿着一条直线加速粒子,从7英里到31英里(11公里到50公里)不等,这取决于最终的设计。所有这些好事不会同时发生,目前的计划是,CLIC将在2035年,也就是大型强子对撞机逐渐停堆的时候。第一代CLIC将以3800千兆瓦的电子伏(GeV)运行,还不到大型强子对撞机最大功率的三分之一。事实上,即使CLIC目前的目标是3万亿电子伏特(TeV),其全部运行能力也不到大型强子对撞机目前能力的三分之一。

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所以,如果一个先进的下一代粒子对撞机无法超越我们今天所能做的,那又有什么意义呢?CLIC的答案是更聪明地工作,而不是更努力地工作。大型强子对撞机的主要科学目标之一是找到希格斯玻色子,这是一种长期以来一直在寻找的粒子。早在20世纪80年代和90年代,当大型强子对撞机被设计出来的时候,甚至不确定希格斯粒子是否存在,也不知道它的质量和其他性质是什么。因此,建造了一个通用的仪器,它可以研究多种可能揭示希格斯玻色子的相互作用。但现在知道希格斯玻色子是真实存在的,可以将对撞机调整到更窄的相互作用范围。

建造50公里长的对撞机,能否揭开希格斯玻色子和顶夸克的奥秘?

在此过程中,目标是制造尽可能多的希格斯玻色子,收集大量有趣的数据,并更多地了解这种神秘但基本的粒子。这可能是你遇到最奇怪的物理术语:Higgsstrahlung。是的,你没看错,粒子物理学中有一个叫做轫致辐射的过程,这是一种独特的辐射,由一堆热粒子挤在一个小盒子里产生。打个比方,当你把一个电子猛击到一个高能量的位置时,它们会以能量和新粒子相互毁灭,其中就有一个Z玻色子和一个希格斯玻色子。因此叫Higgsstrahlung。

顶夸克

波兰华沙大学物理学家、CLIC合作项目成员亚历山大·菲利普·扎内基在新的论文中表示:基于对探测器和粒子碰撞的复杂模拟,解释了该设施设计的现状。CLIC的希望在于,只要在一个干净、易于研究的环境中尽可能多地产生希格斯玻色子,就能对这种粒子有更多的了解。希格斯粒子会互相作用吗?希格斯玻色子与亚原子物理学主流理论标准模型中的所有其他粒子相互作用有多强?同样的原理也适用于顶夸克,它是最不为人所知和最稀有的夸克。你可能没怎么听说过顶夸克,因为它有点孤僻——它是最后一个被发现的夸克,而且很少见到它。

建造50公里长的对撞机,能否揭开希格斯玻色子和顶夸克的奥秘?

即使在初始阶段,CLIC也将生产大约100万个顶夸克,这在使用大型强子对撞机和其他现代对撞机时,提供了闻所未闻的统计能力。在此基础上,CLIC研究小组希望研究顶夸克是如何衰变的,而这种情况很少发生,但是有了一百万个,也许就能知道到一些东西,但这还不是全部。当然,充实希格斯玻色子和顶夸克是一回事,但CLIC的巧妙设计使其突破了标准模型的边界。到目前为止,大型强子对撞机在寻找新粒子和新物理过程中遇到了困难。尽管它还有许多年的时间能让我们发现更多东西,但随着时间的推移,希望正在减少。

建造50公里长的对撞机,能否揭开希格斯玻色子和顶夸克的奥秘?

通过其原始的无数希格斯玻色子和顶夸克产生,CLIC可以寻找新的物理学线索。如果存在某种外来粒子或相互作用,它会微妙地影响这两个粒子的行为,衰变和相互作用。CLIC甚至可能产生暗物质粒子,暗物质是一种神秘、看不见的物质。当然,该设施无法直接看到暗物质,但物理学家可以发现碰撞事件中能量或动量消失的时间,表明正在发生一些古怪的事情。谁知道CLIC可能会发现什么?但无论如何,如果想有一个很好的机会了解宇宙中已知粒子并发现一些新的粒子,就必须超越目前的大型强子对撞机。

博科园|文:Paul Sutter/Live Science

参考期刊《arXiv》

Cite: arXiv:1908.04671

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