当碰撞发生时,粒子物理学家看到了什么?

由:凯特创作

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物理学家在观察粒子碰撞时所看到的基本上与这种再现完全不同。
极盛时期/思想库

还记得吗大型强子对撞机这个巨大的粒子粉碎器位于瑞士乡村的地下深处,于2008年首次启动。还记得它是如何摧毁我们整个宇宙的吗,它创造了一个黑洞把我们整个吞下去然后直接把我们吞进世界末日?

也许你不记得了。

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也许你想到的是那次大型强子对撞机是在关于它可能如何摧毁地球的无休止的炒作之后启动的。但后来,事情开始了,你午餐吃了火鸡三明治,那天收到了一张停车罚单。世界似乎还在继续。

所以,在我们深入到令人兴奋的粒子碰撞世界之前,让我们先弄清楚一件事:就像第一束光束的第一天对典型的非物理学家来说一样,它们并没有那么令人兴奋。

现在,在你们这些空谈的物理学家和真正的物理学家生气之前,让我们承认,当然,粒子碰撞在一个基本的、普遍的层面上是令人兴奋的。对于物理学家来说,粒子碰撞就相当于抓住宇宙,拍它的头,问它是否开着。通过研究粒子碰撞,我们不仅可以测量宇宙诞生后可能发生的事情,还可以判断主要物质的功能和相互作用。

换句话说:这是一件大事。

然而。尽管人们都在谈论加速和粉碎,谈论质子几乎以光速运动,谈论碰撞如此巨大,以至于人们过去认为它们会把我们都撕成碎片……科学家们真正看到的与典型的夏季大片最后30分钟的炽热、破坏性完全不同。即使你考虑到当它打开时每秒发生6亿次碰撞也不会。欧洲核子研究中心].

这不仅仅是所有关于世界末日的闲聊没有成功的高潮。物理学家在质子碰撞时看到的结果是……数据。

公平地说,这是非常非常多的数据。如果物理学家在屏幕上看到质子像烟花一样爆炸,并被“μ子”或“希格斯”这样的标签照亮,以便轻松识别自己,那将是一件很棒的事情,但实际上,探测器收集的数字和图形表示“向”物理学家“展示”了碰撞过程中发生的事情。

物理学家在研究粒子碰撞时正在寻找许多不同的数据片段。这意味着不仅要观察一种信号,甚至不仅要测量一种探测器。相反,他们依靠几种不同类型的探测器来为他们观察到的东西提供线索。

首先,他们观察质子碰撞中产生的粒子的去向。跟踪设备可以立即让他们知道一些事情,比如粒子的电荷(正电荷会向一个方向弯曲,负电荷会向另一个方向弯曲)或粒子的动量(高动量走直线,低动量走螺旋)。记住,他们不是在看粒子的实际轨迹。相反,他们研究的是计算机记录下来的电信号,这些电信号可以被绘制成路径的再现。欧洲核子研究中心].

追踪装置无法捕捉到中性粒子,所以只能用量热计来识别。量热计测量粒子停止和吸收时的能量。它们可以告诉物理学家非常具体的事情,因为某种量热计测量电子和光子,而另一种量热计测量质子和介子。欧洲核子研究中心].辐射探测也测量粒子的速度。物理学家研究所有这些小标识符,以确定粒子在碰撞期间和碰撞后不久发生了什么。

科学家们正在观察所有这些工具和它们收集的证据,以确定碰撞过程中发生了什么。之后,是时候调查他们遇到的任何奇怪或重要的结果了。一个很好的例子就是希格斯玻色子的发现,这种微小的粒子渗透到宇宙中,给粒子增加了质量。物理学家研究了碰撞的数据集,看看当两个质子碰撞在一起时,希格斯场是否会发射出一个备用粒子(希格斯玻色子)。这个想法有点像在沙滩上观察两条水蛇:每一条水蛇可能会在沙滩上顺畅地流过,但如果它们突然撞在一起,一粒沙子就会被踢起来。

那粒沙子并不是屏幕上的闪光。相反,它是由从无数次碰撞中收集的数据精心绘制的。这些数字在某种程度上是数学概率。其他的实验决定了我们在寻找希格斯玻色子的质量当量(因此存在)时需要去哪里寻找[来源:].

科学家们还知道,如果希格斯粒子存在,它必须以几种特定的方式发挥作用(比如它如何衰变成其他粒子)。因此,当他们看到数据图上超出预测的事件时,他们会感到兴奋——他们可以开始判断他们在数据中看到的信号是否是新的东西。欧洲核子研究中心].在希格斯粒子的例子中,确实如此。

所以,不——粒子物理学家看不到黑洞,甚至看不到碰撞发生时的迷你大爆炸。相反,他们看到的是某些粒子在撞击过程中爆炸的证据,数据表明他们看到的是一个更大的可预测模型的一部分——或者如果他们更幸运的话,这是一条全新的发现之路。

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作者注:当碰撞发生时,粒子物理学家看到了什么?

虽然在屏幕上看到一次惊人的“碰撞”,然后看到一个以前从未发现过的霓虹绿色粒子出现,这是一件很棒的事情,但不要低估现实中粒子物理学家的兴奋程度。获得一大堆数据,指向一些惊人的事情,这本身就一定令人兴奋,即使这并不意味着一个粒子在大屏幕上向你招手。

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来源:

  • 《大型强子对撞机的安全性》欧洲核子研究中心。(2014年7月15日)http://press.web.cern.ch/backgrounders/safety-lhc
  • 博伊尔,艾伦。“世界末日恐惧引发对撞机诉讼。”NBC新闻。2008年3月28日。(2014年7月15日)http://www.nbcnews.com/id/23844529/#.U8W2qY1dVEd
  • 巴特沃斯,乔恩。“即使是大型强子对撞机上最无聊的碰撞也能告诉我们一些东西。”《卫报》。2014年1月26日。(2014年7月15日)http://www.theguardian.com/science/life-and-physics/2014/jan/26/even-the-most-boring-collisions-at-the-large-hadron-collider-tell-us-something-this-time-about-cosmic-rays
  • 欧洲核子研究中心。“大型强子对撞机。该指南”。2009年2月。(2014年7月15日)http://cds.cern.ch/record/1165534/files/CERN-Brochure-2009-003-Eng.pdf
  • 费米实验室。“粒子物理是如何发现的。”费米国家加速器实验室。2014年5月6日。(2014年7月15日)http://www.fnal.gov/pub/science/particle-physics-101/how-works.html
  • 就,保罗。“了解希格斯玻色子是怎么回事。”伯克利实验室。2012年6月28日。(2014年7月15日)http://newscenter.lbl.gov/2012/06/28/higgs-2012/
  • 伯克利实验室。“粒子冒险”。粒子数据组。2014。(2014年7月15日)http://www.particleadventure.org/index.html

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