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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

    大型强子对撞(zhuang)机(LHC)深埋在地下100米(mi)深、总(zong)长27千米(mi)的(de)隧道内(nei)

     

      5σ和3σ分(fen)别对(dui)应于(yu)科学结论“发(fa)现了新现象(xiang)”和“找到了新现象(xiang)存在的(de)(de)迹象(xiang)”,是科学家们宣告新发(fa)现的(de)(de)重要(yao)依据(ju)。对(dui)于(yu)基础性的(de)(de)重大(da)发(fa)现,科学界极(ji)为严(yan)谨严(yan)苛,不(bu)光要(yao)求实验发(fa)现的(de)(de)统计显(xian)著度达到5σ,还(hai)要(yao)能(neng)经得(de)起(qi)时(shi)间的(de)(de)检验。

     

      中(zhong)国(guo)科学(xue)技术大学(xue)近代物(wu)理(li)系特任教授吴(wu)雨生

     

      2021年3月(yue),欧洲核子(zi)研究中(zhong)心(CERN)宣布,其大型(xing)强子(zi)对撞机(LHC)发现(xian)了(le)四(si)种全新的(de)(de)粒子(zi),它们是四(si)种不同的(de)(de)四(si)夸(kua)克态。

     

      迄今为止,LHC已经发现了(le)共(gong)59种新强子,包(bao)括此次最新发现的(de)四夸克态以(yi)及其他诸(zhu)多(duo)粒子。那(nei)么(me),科学家们是如何确定他们发现了(le)“新粒子”呢?

     

      宣告新发现并不容易

     

      20世纪70年(nian)代,科(ke)学家(jia)们创立了粒子物理标准(zhun)模型,清楚(chu)地(di)给出了组成(cheng)世界的(de)(de)基本粒子的(de)(de)信息(xi),包括(kuo)它(ta)们的(de)(de)种类(lei)、质(zhi)量、电荷、自旋(xuan)以及它(ta)们之间的(de)(de)相(xiang)互作用。标准(zhun)模型好比(bi)一个宾馆(guan)套间的(de)(de)“手(shou)册”,上面(mian)清楚(chu)详细(xi)地(di)说明了每一件物品(pin)的(de)(de)名(ming)称、种类(lei)、数量、位置等,从而(er)使客(ke)人能够(gou)非常舒服(fu)地(di)住在里面(mian)。

     

      在过去的近半个(ge)世纪(ji)中,科学(xue)家(jia)们(men)在实验中发(fa)现的所(suo)有粒子,都能(neng)在标(biao)准模型(xing)中找到对应的身(shen)份,并(bing)且(qie)其性质也(ye)与“手册(ce)”中的预测基本吻合。

     

      “科学(xue)家们通过实验验证并拓展理(li)(li)论框架,一个核心的任务(wu)是去寻(xun)找标准模型预(yu)言的但(dan)尚(shang)未发(fa)现(xian)的,以及超出(chu)该理(li)(li)论解释范(fan)畴的新现(xian)象和新粒子。”中(zhong)国科学(xue)技术(shu)大(da)学(xue)近代物理(li)(li)系特(te)任教授吴(wu)雨生告(gao)诉记者,这类新发(fa)现(xian)在人类一步(bu)一步(bu)揭开物质(zhi)世界根本(ben)规律的科学(xue)研究中(zhong)至关重要。

     

      这一(yi)点从上个世纪(ji)以来的(de)诸多基础科学(xue)突破(po)中都能得到(dao)佐证:从1905年通过光电效应证实光子(zi)的(de)存在(zai)(zai),到(dao)2012年发(fa)现(xian)希格(ge)斯粒子(zi),标准模型(xing)理论预(yu)言的(de)所有基本(ben)粒子(zi)均被发(fa)现(xian)。标准模型(xing)预(yu)言下的(de)基本(ben)粒子(zi)研究(jiu),也(ye)使得人类在(zai)(zai)探索宇宙本(ben)源和(he)物质本(ben)质的(de)路上越走越远:预(yu)测到(dao)反(fan)物质的(de)存在(zai)(zai)、发(fa)现(xian)中微子(zi)质量并不是零、观测到(dao)黑洞乃(nai)至探测到(dao)引力(li)波等。“每次新发(fa)现(xian)都如同(tong)向(xiang)静谧深邃的(de)潭水投入一(yi)块石头,激起圈(quan)圈(quan)涟(lian)漪(yi),推进一(yi)系列(lie)新科学(xue)、新技术(shu)的(de)诞(dan)生(sheng)。”吴雨生(sheng)说(shuo)。

     

      “在粒子物理实(shi)验(yan)中(zhong)(zhong),新现(xian)象(xiang)的(de)发现(xian)到底是否(fou)确(que)凿(zao)可信(xin),一(yi)般(ban)用统计学中(zhong)(zhong)的(de)显(xian)(xian)著(zhu)程度(du)来表征。显(xian)(xian)著(zhu)度(du)表达为(wei)(wei)高(gao)斯(si)分布标准差的(de)倍(bei)数,即几(ji)倍(bei)σ(西格玛(ma))。”吴雨(yu)生告(gao)诉记者,倍(bei)数越(yue)大则越(yue)可信(xin)。“如果显(xian)(xian)著(zhu)度(du)为(wei)(wei)5σ,这个新发现(xian)被(bei)认为(wei)(wei)确(que)凿(zao)无疑,以假乱真的(de)可能性甚至(zhi)低于(yu)百万分之(zhi)一(yi),而(er)3σ显(xian)(xian)著(zhu)度(du)的(de)实(shi)验(yan)结果也(ye)较为(wei)(wei)可信(xin),所对应的(de)存伪概(gai)率(lv)仅为(wei)(wei)千分之(zhi)一(yi)。”吴雨(yu)生说。

     

      吴(wu)雨生告(gao)诉(su)记(ji)者,5σ和(he)3σ分别(bie)对(dui)应于科学结论(lun)“发(fa)(fa)现(xian)(xian)了新现(xian)(xian)象(xiang)”和(he)“找到(dao)了新现(xian)(xian)象(xiang)存在的迹象(xiang)”,是科学家们(men)宣告(gao)新发(fa)(fa)现(xian)(xian)的重(zhong)要依据。对(dui)于基础(chu)性(xing)的重(zhong)大发(fa)(fa)现(xian)(xian),科学界极为严谨(jin)严苛,不(bu)光要求实验发(fa)(fa)现(xian)(xian)的统(tong)计显著度达(da)到(dao)5σ,还要能经得(de)起时(shi)间(jian)的检验。“另外,还要求有(you)独立进行的其(qi)他实验去重(zhong)复验证其(qi)结果(guo)。”吴(wu)雨生说。

     

      对标准模型的检验从未停止

     

      “自从标准(zhun)模型(xing)诞生以来,人们对(dui)标准(zhun)模型(xing)的(de)(de)检(jian)验就从未停止过。”吴雨生说(shuo),探索微观世界的(de)(de)奥妙(miao),就必须要有可(ke)(ke)靠的(de)(de)实验手段来观测各(ge)类物理现象(xiang),这些实验手段需(xu)要能产生微观粒子并(bing)进行(xing)反(fan)应,能记录并(bing)分析(xi)反(fan)应结果,从而与理论预言对(dui)比。“在不(bu)同(tong)(tong)方案(an)、不(bu)同(tong)(tong)条(tiao)件(jian)下进行(xing)大量精(jing)密实验,可(ke)(ke)以全(quan)方位地检(jian)验标准(zhun)模型(xing),并(bing)且有可(ke)(ke)能发现那(nei)些稀有的(de)(de)、模型(xing)内和模型(xing)外的(de)(de)新现象(xiang)。”他(ta)说(shuo)。

     

      粒(li)子(zi)(zi)(zi)物理学轻子(zi)(zi)(zi)家族中最(zui)著(zhu)名的(de)粒(li)子(zi)(zi)(zi)是电(dian)子(zi)(zi)(zi),电(dian)子(zi)(zi)(zi)是物质(zhi)的(de)关键组成部分。但电(dian)子(zi)(zi)(zi)并不是轻子(zi)(zi)(zi)家族唯一的(de)成员,它有两(liang)个(ge)更重(zhong)的(de)兄弟姐妹,μ子(zi)(zi)(zi)和τ轻子(zi)(zi)(zi),它们(men)一起被称为(wei)三种轻子(zi)(zi)(zi)口味或“味道”。根据粒(li)子(zi)(zi)(zi)物理标(biao)准(zhun)模型,这些兄弟姐妹之间(jian)唯一的(de)区别应该是质(zhi)量:μ子(zi)(zi)(zi)比电(dian)子(zi)(zi)(zi)重(zhong)约(yue)200倍(bei),而τ轻子(zi)(zi)(zi)比μ子(zi)(zi)(zi)重(zhong)约(yue)17倍(bei)。

     

      按照标(biao)准模(mo)型,每种味(wei)与一(yi)个W玻色子都可能有(you)一(yi)样的(de)相互作用。“轻(qing)子的(de)味(wei)道又称‘代(dai)’,电子、μ子以及(ji)τ轻(qing)子,分属标(biao)准模(mo)型中的(de)三个不(bu)同(tong)(tong)代(dai)。人类的(de)每一(yi)代(dai)之间可能会有(you)‘代(dai)沟(gou)’,但(dan)在标(biao)准模(mo)型中,不(bu)同(tong)(tong)代(dai)的(de)相应轻(qing)子虽(sui)然胖瘦(shou)不(bu)一(yi),即质(zhi)量不(bu)同(tong)(tong),但(dan)它(ta)们(men)都必须(xu)以相同(tong)(tong)的(de)面(mian)貌(mao)参与微观世界的(de)各类聚会,即基本(ben)粒子的(de)反应过(guo)程,这就(jiu)是轻(qing)子味(wei)普适性的(de)预言。”吴雨生说(shuo)。

     

      “这(zhei)是(shi)(shi)一(yi)个(ge)很(hen)奇妙的预言(yan),许多物理学家希望寻找违背(bei)这(zhei)个(ge)普适性(xing)的新现象,来探究超(chao)越标准(zhun)模型(xing)(xing)理论(lun)存在(zai)的可能(neng)性(xing)。”吴雨生说,近期媒体报道的LHCb的一(yi)个(ge)实(shi)验工作,就是(shi)(shi)专(zhuan)注于检验标准(zhun)模型(xing)(xing)的一(yi)个(ge)基本预言(yan),即违背(bei)轻(qing)子普适性(xing)现象的可能(neng)迹象。“这(zhei)个(ge)实(shi)验结果引(yin)起了很(hen)多关注,但显著度尚远不(bu)足以宣称新发现,并有待时间的检验,以及(ji)后(hou)面其他实(shi)验的验证。”

     

      “轻子(zi)味的普适性已经被在(zai)不同的过(guo)程和(he)(he)能量范围内进行(xing)了(le)高(gao)精度的探(tan)索。尽管轻子(zi)味普适性原(yuan)理已经通(tong)过(guo)了(le)最新的测试和(he)(he)检验,但在(zai)发(fa)现的许(xu)多反常现象(xiang)被明(ming)确探(tan)测之前,大型强子(zi)对(dui)撞机(ji)实验仍在(zai)继(ji)续进行(xing)。”吴雨生(sheng)说。

     

      加速器与对撞机联手寻找谜底

     

      新的基本粒子(zi)靠什(shen)么来寻找?答案(an)是(shi)通过加速器和对撞机。

     

      “简单地说(shuo),加(jia)速(su)器(qi)就(jiu)是带(dai)电(dian)粒(li)子(zi)(zi)(zi)借由电(dian)场增加(jia)能(neng)(neng)量(liang),通过具有能(neng)(neng)量(liang)的带(dai)电(dian)粒(li)子(zi)(zi)(zi)进行科学研究,比(bi)如说(shuo)去(qu)打靶或者(zhe)进行对撞。比(bi)如说(shuo)我们(men)家庭中的电(dian)视机就(jiu)是一(yi)(yi)个最简单的直线加(jia)速(su)器(qi)。”吴(wu)雨(yu)生说(shuo),电(dian)子(zi)(zi)(zi)经过电(dian)视机的加(jia)速(su)就(jiu)会得到一(yi)(yi)定的能(neng)(neng)量(liang),能(neng)(neng)量(liang)单位叫做电(dian)子(zi)(zi)(zi)伏(fu)特。电(dian)场是用来加(jia)速(su)带(dai)电(dian)粒(li)子(zi)(zi)(zi)的,也就(jiu)是给(ji)它提供(gong)能(neng)(neng)量(liang),增加(jia)速(su)度。

     

      加速(su)器可以粗(cu)略地分成两类:一类叫做直线(xian)加速(su)器,一类是环(huan)(huan)形加速(su)器。直线(xian)加速(su)器就是粒(li)子走直线(xian),环(huan)(huan)形加速(su)器就是粒(li)子通过磁(ci)场一圈(quan)一圈(quan)都在(zai)里面运转。

     

      “有(you)了加速器,就(jiu)可以(yi)用(yong)它进行科学研究(jiu),用(yong)带(dai)电粒(li)(li)子(zi)去打(da)原子(zi)核或者(zhe)对(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)。”吴(wu)雨生说(shuo),粒(li)(li)子(zi)撞(zhuang)(zhuang)击(ji)人眼是看(kan)不见的,因此(ci)需要用(yong)探测器,相当(dang)于(yu)代(dai)替人眼来看(kan)对(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)之后产生的粒(li)(li)子(zi)的种(zhong)类、多少和特性(xing)。

     

      对撞(zhuang)(zhuang)机也分(fen)两类:一(yi)个(ge)是直线对撞(zhuang)(zhuang)机,粒子相(xiang)向运动,在一(yi)个(ge)对撞(zhuang)(zhuang)点对撞(zhuang)(zhuang)。另一(yi)个(ge)是环形对撞(zhuang)(zhuang)机,正负电(dian)子是相(xiang)对而行,一(yi)圈一(yi)圈不停地加速,再(zai)进行对撞(zhuang)(zhuang)。

     

      “加速器既是一(yi)门物理科学(xue),同(tong)时还是技术与工程,这是粒(li)子加速器的一(yi)个非常重要的特点(dian)。”吴(wu)雨生说(shuo)。

     

      上世(shi)纪60年代,世(shi)界上第一台正负电子对撞机(ji)在意大利建成(cheng)(cheng)。其后在日内(nei)瓦的(de)欧洲核子中(zhong)心(CERN),建成(cheng)(cheng)世(shi)界上最大的(de)正负电子对撞机(ji)LEP。之后科(ke)学家将LEP拆除,在其隧道中(zhong)建成(cheng)(cheng)了世(shi)界上最大的(de)质子对撞机(ji)LHC。

     

      “因(yin)为我(wo)们要(yao)探索(suo)的(de)(de)物质(zhi)(zhi)最深层的(de)(de)尺(chi)寸(cun)越(yue)来越(yue)小(xiao),而探测的(de)(de)物质(zhi)(zhi)层次(ci)越(yue)深,看的(de)(de)东西越(yue)小(xiao),就需(xu)要(yao)‘光线’的(de)(de)波长越(yue)小(xiao),能量就必须越(yue)大。因(yin)此对(dui)撞(zhuang)机的(de)(de)高能量是(shi)必然需(xu)求(qiu)。”吴雨生说,世(shi)界上(shang)最大的(de)(de)质(zhi)(zhi)子(zi)对(dui)撞(zhuang)机LHC也是(shi)能量最高的(de)(de)粒子(zi)加速器(qi),它深埋在地下100米深、总长27千米(含环形隧道)的(de)(de)隧道内。

     

      “LHC体积巨大,能将(jiang)粒(li)(li)子加速到接近光速,这正是(shi)(shi)强(qiang)磁(ci)场(chang)(chang)使粒(li)(li)子围绕(rao)加速环运行(xing)的结果。其(qi)(qi)磁(ci)场(chang)(chang)强(qiang)度非常大,因此如(ru)果摆在地(di)面上(shang),周(zhou)边(bian)很大范围内就不允许其(qi)(qi)他(ta)设(she)施和人员存在。”吴雨生说,LHC深埋地(di)下,也是(shi)(shi)为了排除其(qi)(qi)他(ta)干(gan)扰,获得一(yi)个更(geng)纯粹的实验环境。

     

      “大(da)型(xing)强(qiang)子(zi)(zi)对(dui)撞机能量(liang)状(zhuang)态可与宇(yu)宙(zhou)大(da)爆(bao)炸后(hou)不久的(de)(de)状(zhuang)态相比。科学家利用质子(zi)(zi)碰撞后(hou)的(de)(de)产物探索物理现象,例如,寻(xun)找到标准(zhun)模型(xing)预(yu)言(yan)的(de)(de)希格斯粒(li)子(zi)(zi),探索超对(dui)称、额外维等(deng)超出标准(zhun)模型(xing)的(de)(de)新物理等(deng)。”吴雨生说。

     

      事实(shi)上,在建(jian)造LHC的过程中(zhong),科(ke)学(xue)家已(yi)经(jing)获得了许多(duo)改善我们生活的科(ke)研成果。比如(ru)互联网最初就是(shi)欧洲核子(zi)研究中(zhong)心的科(ke)学(xue)家为了解决数据传输问(wen)题而(er)发明的,其他譬如(ru)癌(ai)症(zheng)治疗(liao)、摧毁核废料以及帮助科(ke)学(xue)家研究气候变化(hua)等的一(yi)些成果,也得益于大型强子(zi)对撞(zhuang)机(ji)。




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