大型强子对撞机的五个发现(到目前为止

有时候，是一些小事让你抓狂。到了20世纪初，物理学家们似乎已经把宇宙和牛顿理论联系起来了重力以及麦克斯韦电磁方程。只有一个棘手的问题:如何解释放射性。解决这个问题引发了一场科学革命，揭示了关于小事物的惊人真相:有时它们包含宇宙。

粒子物理学和量子力学，这两门真正微小的科学，为物理学带来了两种更基本的力和一群奇怪的基本粒子，但在20世纪70年代之后，除了检验和完善主导理论，即标准模型．在接下来的30年里，加速器和对撞机制造出的亚原子粒子填补了关键的空白，但仍然存在许多问题:为什么有些粒子有质量，而有些粒子没有?我们能否统一四种基本力，或者让广义相对论和量子力学和谐共处?

这些悬垂的线程会引发另一场革命吗?要想找到答案，需要更强大的力量粒子对撞机一个16.8英里(27公里)长的超导磁环比外层空间更冷，能够在超高真空中以接近光速的速度将粒子撞击在一起。2008年9月10日，这100亿美元大型强子对撞机(LHC))，全球数百名科学家和工程师的合作努力，加入了欧洲核子研究组织(CERN)的加速器园区，并很快打破了粒子碰撞记录。

让我们回顾一下到目前为止我们学到了什么，从最著名的发现开始。

希格斯玻色子

在宏观世界中，我们假设所有粒子都有质量，无论大小。但在微观世界中，电弱理论，该理论将电磁力和弱力结合成一个潜在的力介质应该没有质量;这是个问题，因为有些人就是这样。

介质force-carriers:光子电磁传播,而W和Z玻色子弱力。但是，虽然光子没有质量，W和Z玻色子却有相当大的重量，每个粒子大约有100个质子[来源:欧洲核子研究中心］．

1964年，爱丁堡大学的物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)和François恩格勒特(François Englert)团队以及布鲁塞尔自由大学(Free University of Brussels)的罗伯特·布劳特(Robert Brout)独立提出了一个解决方案:一个基于粒子相互作用强度的不同寻常的传输质量的场。如果这希格斯场存在，那么它应该有一个中介粒子，a希格斯玻色子．但需要大型强子对撞机这样的设备才能探测到它。

2013年，物理学家证实他们发现了一个质量约为126千兆电子伏(GeV)的希格斯玻色子——约126个质子的总质量(质能等效性让物理学家使用电子伏作为质量单位)[来源:达斯］．这非但没有揭开谜团，反而为研究宇宙的稳定性开辟了全新的领域，为什么宇宙中似乎包含了比反物质多得多的物质，以及宇宙的组成和丰富程度暗物质(来源:齐格弗里德)。

4: Tetraquarks

1964年，两位研究人员在努力了解强子——受强力影响的亚原子粒子——分别提出了它们是由三种类型的组成粒子组成的想法。乔治·茨威格称它们为“王牌”;默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)给他们起了个绰号夸克并将它们的三种口味分别称为“上”、“下”和“奇怪的物理学家后来确定了另外三种夸克口味:“魅力”、“顶部”和“底部”。

多年来，物理学家根据夸克制造强子的两种方式将强子分为两类:重子(包括质子和中子)是由三个夸克组成的，然而介子(如介子和介子)是由夸克-反夸克对形成的[来源:欧洲核子研究中心；ODS)。但这是唯一可能的组合吗?

2003年，日本的研究人员发现了一种奇怪的粒子，X (3872)它似乎是由一个粲夸克、一个反粲夸克和至少另外两个夸克组成的。在探索粒子存在的可能性时，研究人员发现Z (4430)，一种明显的四夸克粒子。此后，大型强子对撞机发现了一些这样的粒子存在的证据，这些粒子打破了——或者至少在很大程度上弯曲了——已建立的夸克排列模型。这样的Z粒子转瞬即逝，但可能会在一微秒左右的时间里蓬勃发展大爆炸(来源:O 'Luanaigh；Diep；格兰特］．

3:缺少超对称性

理论家先进超对称,被称为超对称性理论来解决标准模型尚未解决的几个棘手问题，比如一些基本粒子为什么有质量，如何有质量电磁力和强弱核力可能曾经联系在一起，也可能是暗物质的组成部分。它还建立了夸克和轻子组成物质和玻色子调节它们的相互作用。像前面提到的重子一样，轻子(如电子)属于一组亚原子粒子费米子与玻色子具有相反的量子属性。然而，根据超对称性理论，每个费米子都有相应的玻色子，反之亦然，每个粒子都可以转化为对应的粒子[来源:欧洲核子研究中心；Siegried]。

如果这是真的，超对称性理论将意味着两种基本粒子类型(费米子和玻色子)仅仅是一枚硬币的两面;它可以通过让相应的粒子相互抵消来消除数学中突然出现的某些失控的无限量;它还会为引力腾出空间——标准模型中一个明显的遗漏——因为费米子-玻色子和玻色子-费米子转换可能涉及其中引力子长期以来理论化的重力载体。

物理学家们希望LHC要么找到支持超对称性理论的证据，要么揭示指向新的理论和实验领域的更深层次的问题。到目前为止，这两种情况似乎都没有发生，但还不能排除超对称。超对称性理论有很多版本，每个版本都与特定的假设有关;大型强子对撞机只是筛选出了一些最优雅和最有可能的品种。

2:协调运动

当科学家校准LHC仪器跳过通常的质子 - 质子碰撞时并选择ram质子进入铅核，他们注意到了一个令人惊讶的现象：所得的亚原子弹片通常采取的随机路径被表观协调所取代。

一种解释这一现象的理论认为，撞击产生了一种叫做夸克-胶子等离子体(QGP)它像液体一样流动，冷却时产生协调的粒子。布鲁克海文国家实验室和大型强子对撞机之前都创造了QGP——一种密度最大的物质形式黑洞通过碰撞重离子，比如铅和黄金．如果质子-铅碰撞的QGP被证明是可能的，它将极大地影响科学家对大爆炸之后的情况的看法，当时QGP正处于短暂的全盛时期。只有一个问题:碰撞不应该有足够的能量来炮制假设的夸克汤[来源:欧洲核子研究中心；格兰特；罗兰和阮；比］．

虽然大多数物理学家支持这一观点，尽管它存在问题，但有些人主张第二种解释，涉及由胶子夸克和反夸克在质子和中子中形成。该假说认为胶子在接近光速的速度下形成场，使它们相互作用。如果正确，这个模型可以为质子结构和相互作用提供有价值的见解[来源:格兰特］．

第1集:新物理的迹象毕竟…或不

虽然听起来不合逻辑，但许多物理学家希望大型强子对撞机能在标准模型上戳出几个洞。这个框架毕竟有问题，也许一两个惊天动地的发现可以证实超对称，或者至少指向新的研究方向。正如我们所提到的，大型强子对撞机在反复验证标准模型的同时，也不断打击奇异的物理学。当然，结果还没有全部出来(有大量的数据需要分析)，而且大型强子对撞机还没有达到14万亿电子伏(TeV)的全部能量。然而，让标准模型看起来很糟糕的可能性并不大。

或者，如果2013年一份关于b介子衰变的报告有任何暗示的话，也有可能是这样。它显示了b介子衰变为一个k介子(又称k介子)和两个介子(类似于电子的粒子)，这两个介子不会产生任何介子眉毛，除了衰减遵循标准模型未预测的模式。遗憾的是，该研究目前低于我们实验室外套的跳舞。尽管如此，它足以提高希望，并且对额外数据的分析可能将其从红色区域向内区域提升到终点区。如果是这样，奇怪的模式衰变这可能是许多人都在寻找的新物理学的第一次瞥见[来源:约翰斯顿；奥尼尔］．

更多的信息

作者注:大型强子对撞机的5项发现

在大型强子对撞机完成之后，一些人想知道，如果希格斯玻色子没有出现，这对物理学意味着什么。这不仅仅是大质量原子加速器être的主要原因;这是标准模型的关键。

现在有一个更大的问题，它涉及到第二代宇宙河外极化背景成像(BICEP2)所进行的宇宙背景辐射测量。如果BICEP2的观测被证明是正确的，那么希格斯场在大爆炸期间应该具有足够的能量，从而立即导致大收缩。换句话说，如果两个观点都成立，那么我们就不应该在这里争论为什么它们不可能同时成立。

来源

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