瞥见稀有粒子的一条新路,新方式可观察物理学的“黑暗世界”?

有一种被称为LLP或长寿命粒子的粒子,它能够成为暗能量和暗物质的窗口,正是它们共同构成了宇宙中的这95%。暗物质可以对普通物质施加引力,而暗能量则被认为会导致宇宙本身的膨胀速度加快。但是,因为宇宙发光物体和它们之间的所有相互作用都非常微弱,所以,这两者并没有被直接观察到。

虽然它们并不会和我们有任何互动,曾领我们的科学家对此一筹莫展。但LLP的出现,却可能为黑暗世界提供一种与较轻世界的交流方式。科学家们可借助世界上的最大原子粉碎机,其中的一些探测器可以帮助研究成员找到它们,这个大型强子对撞机(LHC)就位于瑞士日内瓦附近。

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世界上最大的原子撞击者是什么

大型强子对撞机(LHC),是现代粒子物理学的奇迹,即世界上最大的原子撞击者,科学家们可以通过它探索实际的深度。在瑞士边境形成了一个27公里的环,它的起源能够追溯到1997年。CERN的前主任翰•亚当斯爵士建议修建一条地下隧道,以容纳能到达非常高能量的粒子加速器所有的方式。大型强子对撞机的能量,比之前的记录保持粒子加速器(美国退役的Tevatron)高出6.5倍。

这个项目在1997年被正式批准,也就是二十年后。这是一条长27公里的环,该施工环通过法国-瑞士边界下方,可将加速粒子达到99.99%的光速,而后砸碎它们。在这个环里,93000个磁铁正以11245次/秒的速率,沿着两个相反方向引导带电粒子包,然后在它们组合之后进行正面碰撞。此设施每秒可以产生大约6亿次碰撞,因而可以喷发出让人惊讶的强大能量。甚至还有一种前所未见的重粒子,会每隔一段时间就喷射出来。

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平行世界里的“正常”物质和“黑暗世界”

如果在一个山谷中有“正常”物质,那么黑暗世界就在一个平行的山谷中。标准模型对很多粒子做出了解释,比如:中子、质子、电子,以及和它们一起出现的所有亚原子粒子(夸克、μ子、中微子和希格斯玻色子等)。那些被隐藏的部分就是所谓的黑暗世界,因为这是一组超出现有物理标准模型的假想粒子。

处在黑暗世界山谷中的粒子,需要彼此进行强烈的相互作用才可能具备爬上山脊的巨大量能量,在这个过程中,它们与山体另一侧的粒子也会有略微的相互作用。其中的一些粒子甚至可能从黑暗世界穿过能量势垒到我们往常所遇到的那个,通过一个被称为量子隧穿的过程。虽然,这些粒子可能并不是中子或质子等稳定粒子的暗物质等价物,但却可能是更不稳定的标准模型粒子。

这些隧道粒子,正是科学家们感兴趣去发现的存在,即使这些粒子的存在本身就很少见。大型强子对撞机每秒10亿次的碰撞,相互撞击质子的速度让人眼花缭乱,并且,这些撞击将质子粉碎成大量已知的标准模型粒子。只是,科学家们感兴趣的粒子,或许在十年之内都只会出现几次,其他的粒子在他们看来,都只不过是噪音。

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关于暗物质的那些悬而未决的问题

普通的物质是由电子和质子等一般粒子所构成,宇宙中的暗物质是否也同样如此复杂?但并没有充分的理由可以说明宇宙中的所有暗物质都是由一种粒子构成。暗质子是可以和暗电子结合而形成黑暗原子的,因此而产生的结构,便会和可见世界中发现的其他结构一样有趣而多样化。暗物质还可能产生类似于常规物质所受到的力,有科学家搜索过暗光子,就像正常粒子之间交换的光子所产生的电磁力,但除了它们,就只有被暗物质粒子感觉到。

因为暗物质的存在大大的超过了普通物质,所以它们也常被认为是组织大型结构的控制力,比如星系和星系团。在一开始的时候,就有一个信号导致科学家们暗示暗物质可能带有电荷,今年2月发现了一种特殊辐射,通过它的特征表明氢气比科学家们之前预测的要冷很多。如果带电荷的暗物质,可以从无处不在的氢气中吸走热量,那么它应该就像浮在柠檬水中的冰块一样,只是这个猜想尚未得到证实。

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瞥见稀有粒子的一条新路需要时机

这是一种新的方法,一种可以瞥见这些稀有粒子的方法,只是这一切同时还取决于时机。LLP和大型强子对撞机大量生产标准模型颗粒相比,前者会更加庞大而笨重。需要通过克服巨大的能量障碍,以此在正常事物的世界留下印象。对于科学家们而言,这种蜗牛一般的缓慢速度也是一个有用的特征。在大型强子对撞机中的大多数基本粒子,都是以光度传播并快速衰减的希格斯玻色子。

虽然这是一个看似简单的想法,但事实却证明非常有效。会有一些调整将大型强子对撞机进行自然而然的升级,这个粒子对撞机也将在2021年再次打开,探测器可以比现在更精确地测量粒子达到时间的十倍。至此,科学家们只需要调整一些软件,就能充分的利用好LHC的功能,同时还能确保对撞机的实验物理学家优先考虑搜索。之后,科学家们将就实验进行一系列探讨,以确保参与研究的每个人都在同一个步骤上。


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