当前日期: 2017年10月23日 星期一
科普之窗  

大型强子对撞机到底能不能撞出反物质和黑洞

 

 

  大型强子对撞机(LHC)的启动游戏“玩”了3年。

  欧核中心的这个大家伙在今年3月末实施了7万亿电子伏特的质子束流对撞,这场迄今最高能量的质子束流对撞试验,用于模拟137亿年前宇宙大爆炸之后的最初状态。而今距当日对撞已近一个月,人们对结果翘首以盼:究竟有没有撞出什么不寻常之物?上帝粒子?反物质?抑或小型黑洞?

  据近日欧核中心官方网站、《新科学家》杂志及物理学家组织网对大型强子对撞机(LHC)的有关报道称,LHC上的巨大的超导环场探测器(Atlas)首战告捷,报告发现了W玻色子;而物理学家们以爱因斯坦场方程显示,LHC发生的高能对撞绝对可能会形成黑洞;至于揭去反物质这层神秘面纱,研究人员相信LHC实验,应是目前最有潜力的挑战者。

  W玻色子:上帝粒子的影子

  大型强子对撞机就像是科学界的巴别塔,地球人都知道它要寻找一种“上帝的粒子”。

  “零自旋”的希格斯玻色子,之所以被认为非常重要,是因其惯性质量源头的身份:若该粒子出现,物质质量起源之谜也将会揭开;若该粒子不存在,理论上只能要求所有粒子无一例外,必须完全没有质量,这无疑与现行的实验观察相矛盾。

  寻找它的方法是制造一个宇宙大爆炸发生后的模拟环境:比深空还要冷的温度、粒子接近光速的飞行、以及对撞机发出的强大能量。现在,LHC巨大的超导环场探测器(Atlas)首战告捷,在物理程序启动几天后,Atlas报告它首次发现了W玻色子。

  希格斯玻色子已预计会衰变为W玻色子。因此,“W玻色子真的非常关键。”物理学家安德烈亚斯·霍克表示。领导Atlas研究团队的法比奥拉·吉亚纳蒂亦十分欣慰于W玻色子的出现迹象,这能使探测器快速认出新粒子,同时证明“大家伙”及其探测器都工作得很好。

  W玻色子并非前所未见,在其他对撞机实验上早已露过脸。LHC的竞争对手——美国伊利诺伊州巴他维亚费米实验室2007年就曾对W玻色子进行了质量测量,降低了人们对希格斯玻色子质量的预测上限。但对于LHC来讲,它的探测器在尝试去发现新粒子之前,必须重新发现一次已经建立起来的这一个。

  自3月30日LHC以7兆电子伏特开始碰撞以来,研究人员致力于对轻子和中微子的测定,因为W玻色子瞬间即会衰变成为轻子和中微子。目前,Atlas的热量计和μ子探测仪器已检测到轻子(无论正电子还是μ子);中微子虽然不与探测器相互作用,但可以从衰变的总动量的不平衡推断出其存在。

  根据爱因斯坦著名的质能方程(E=MC2),C为光速常量,为了找到大质量的粒子M,需要高能量E。如果在LHC模拟的极端状态下也无法找到希格斯玻色子,那么也许它根本就不存在,自然界本身毕竟要胜过所有实验与预测。

  黑洞:撞出来亦无妨

  大型强子对撞机在维修与试运行中不断反复,拖拖拉拉挑战着人们的耐性。

  这样的进度其实是为了安全起见。关于LHC,人们最关心的一个问题是,它会不会导致黑洞形成,摧毁整个世界。

  最初的宇宙爆炸瞬间,并没有充溢着现在这样稳定的质子,而是夸克-胶子等离子体。这些等离子体是在几微秒内变身成为现在的宇宙中常见的粒子。LHC非常关键的一部分就是要生产出非常不稳定的夸克-胶子等离子体,并以此研究宇宙洪荒之谜。

  巨大能量带来的安全隐患一直使反对派声音层出不穷,还没启动,就有两名美国科学家正式起诉欧核中心及相关资助机构,认为LHC会制造出莫名奇妙的“杀手奇异子”(一种包含非通常夸克的假想粒子物质)或黑洞、可能毁灭人类。这一度引发了此类论调的盛行。之后尽管接受了涵盖各个方面的安全与环境影响审核,仍未能平息部分人的恐惧。

  然而,在欧核中心科学家眼中,这台机器可使人们在实验室环境里最为细节化的了解我们所未知的自然界;印度物理学家认为,与LHC的价值相比,可能会撞出黑洞这件事其实是“舍不得孩子套不着狼”。

  在最新的研究中,加拿大英属哥伦比亚大学的马修·卓普提克、美国普林斯顿大学的弗兰斯·比勒陀利乌斯通过爱因斯坦场方程,有力佐证了在广义相对论下,LHC是完全有可能产生小型黑洞的。

  爱因斯坦场方程能表示空间的弯曲状况、物质分布和运动状况,十分复杂。研究人员利用该方程描述了在特定能量环境下,如果粒子碰撞能量达到普朗克能量级的话,就可能制造出小型黑洞。场计算背后的深奥理论基础是弦理论。这一被称为“大爆炸理论之后最大发现”的学说,阐释了在可看到的三维立体空间以外,存在多维宇宙空间。据其观点,如果额外的维度足够大,LHC中发生的粒子撞击就会产生黑洞。

  这种小型黑洞并不是天文学规模上的“小”。牛津大学物理系的奇戴姆·艾瑟威尔称,LHC里的两个相撞质子(如夸克和胶子)的施瓦氏半径,至少比普朗克长度小15个等级,而普朗克长度已是在常规宇宙中可获得的物体最小间距,因此产生的黑洞会微型到难于发现。

  黑洞最终都会消失,且消失速度与黑洞的质量成反比。奇戴姆指出,LHC如果撞出了微型黑洞,它会因太小且太热(太阳温度的后边再加42个零),刹那间就会在周围的低温中消失不见,变成很多微小粒子,只有利用Atlas探测器才可以发现它们。一句话,即使LHC里确实形成了黑洞,人们也看不见它们。

  反物质:发现之路漫漫兮

  理论与证据都显示,初期宇宙介质的温度非常高,粒子间的热碰撞会成对地产生任何基本粒子,正反物质在此时应当等量,经过逐步过渡,才成为今日以正物质为主的状态。但现在的宇宙线及天然放射源中,反粒子的发现微乎其微,那些反物质究竟遁形于何处?LHC实验的最主要任务,就是推导出这个过程并找到答案。

  反物质的闻名于世仰仗于精彩的文学描述。早期《星际迷航》中出现利用反物质作燃料的飞船;丹·布朗某畅销书中的主角就是“一粒即可毁天灭地”的反物质。巧的是,在丹·布朗笔下,这粒反物质居然也出自欧核中心,由一位老科学家让两簇粒子以极高的速度在加速管中迎面对撞而得。

  在现实世界,1932年,公布发现的带正电电子震惊了学界,但当时在自然界获取反粒子的途径比较稀少,且早期粒子加速器的能量又不足以产生它们,因此之后反粒子的研究步伐停顿了下来,直到二十几年后才迎来了其美妙的爆发:1955年发现了反质子;次年又发现了反中子。至此组成物质的三种最重要粒子的反粒子都被发现了。此后,其他基本粒子的反粒子发现,对物理学家们来说已毫无悬念。

  1995年,欧核中心曾制造出数颗反氢原子,成为世界上第一批反物质样本。2008年11月,在美国三大核武器实验室之一的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室,利用短脉冲、高强度激光照射1毫米大小的黄金,产生了数十亿的反物质粒子样本。

  欧核中心的理论专家安东尼奥·利奥多称,现在,LHC若要揭开反物质之谜,需要通过对稀有衰变的研究,以便能提供出更精确地关于底夸克和奇异介子的信息。相辅相成的是,如果LHC能找到质量不多于130GeV的希格斯粒子,且其能伴随着一种轻的超对称粒子(顶超对称夸克)的发现,将为反物质提供一项实验性支持。

  任何情况下,宇宙原始反物质消失之谜都无法用现行的“标准模型”理论来解答。不过,这反而会令科学家更兴奋——

  因为,物理学“标准模型”不能涵盖一切,人们需要另外一种不同寻常的理论来解释这世界。这是人们目不转睛注视着LHC的原因,它是揭晓一切答案的最有潜力者。

本篇文章来源于 科技网|www.stdaily.com
原文链接:http://www.stdaily.com/kjrb/content/2010-05/04/content_181880.htm


发布时间:2010-6-25

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