發(fā)現(xiàn)量子宇宙――粒子對撞機的角色_圖文

1、 維普資訊 勾 勒 暗 宇 宙 測普 通粒 子行 為 中微 小 的擾動 可 以發(fā)現(xiàn)更 微小 的額 在明 尼 蘇 達 州 地 下 的一 個 深 深 的 舊鐵 礦 ， 外維 度 。直線對 撞 機 可 以 確定 維 度 的 數(shù) 目、 它們 的 尺度 和形狀 ， 以及 有何 種粒 子生存 其 問。 實驗 室 中的 暗物質 實驗 正 在 用 高 靈 敏 度 探 測 器 尋 找 來 自宇 宙 空間 的暗物 質粒 子 留下 的輕 微 的 痕跡 。 同時 ， 天 體物 理實驗 正在 尋找 宇宙 的其 他地 方暗物 質粒 子湮 滅 時產(chǎn) 生 的宇宙 輻射 。來 自這 些暗物 質探 測實驗 中 的任何 一個信 號

2、將 會 給 出 暗物 質 性質 的景 象 ， 且 并 強烈地 激發(fā)在 和 上 尋找 暗物質 。 實 際上 ， 理 學 家 已經(jīng)報 道 了在 尋 找 暗物 質 的 物 宇宙的 是熟悉 的物 質 ， 是 暗物 質 ， 他 其 的是 暗能量 。雖然 宇宙 中的暗物質 已經(jīng) 是眾所 周知 的了 ， 是它 的身份 完全 是個謎 。 但 物理學 家 已經(jīng)提 出 了許 多命 名奇 特 的暗物質 候 選者 ： 中性伴 隨子 、 子 、 力子 、 子 球 、 軸 引 膠 以及 弱 作 用 暗 物質粒 子 （ ） 簡 而 言 之 ， 多 數(shù) 理 。 大 論 研究 假設 ， 所有 暗 物 質都 是 由單 一 的一

3、種 新 粒 子 構 成 的。但是 ， 果 暗 的宇 宙 和 可 見 的世 界 一 樣是 如 實 驗 中的信號 的 嘗試 性線 索 。遺憾 的 是 ， 由于被 兩 朵未 知 的烏 云籠 罩著 ， 以對 這 些實 驗 的解 釋是 不 所 確定 的 。天體 物 理 中 ， 暗物 質 粒 子在 星 系 的空 間分 布和 速度 的不確定 性使 我們無 法解決 暗物 質粒子 性 質 的不 確定性 。 豐 富多彩 的 ， 么 可能 有 一 天 這種 假 設 看 起來 就會 那 像古 代 的地球 、 空氣 、 和水 的理論一 樣 簡單 了。 火 和 的一個 主要 目標是 ， 通過 在 實驗 室 中產(chǎn) 生暗物

4、質 的粒子并 研究 其性 質 以確認 暗物 質的 一 種或 多種 形 態(tài) 。天文 物 理 證 據(jù) 表 明 ， 萬億 能 標 將 揭 示 出暗物 質粒子 ?，F(xiàn) 在對 粒子物 理學 和宇 宙學 的 認 識使得 物 理學 家能外 推 回到宇 宙歷史 的早期 。假 設 暗物質 粒子是 大爆 炸 的弱相 互 作 用 的殘骸 ， 物理 學 家可 以用觀 測到 的暗物 質密 度去估 算其 粒子 的質 量 。在許 多不 同 的理論框 架 中所 做 的詳 細的計 算表 圖 明， 暗物質 粒子 的質量 被認 定在 萬億 能標上 。 在 上工 作 的物 理 學 家 很 可 能找 到萬 億 能 標 上 暗物質 的第

5、一 個 證 據(jù) 。但 是 ， 真 的是 暗物 質 它 通過 發(fā)現(xiàn) 暗物 質 粒 子 的精 確 性 質 ， 對 解 決 這些 不確定 性是 至關重 要 的。暗物 質探 測器 的分辨 率可 以為 暗物質 的分 布提供精 確 的探 針 。正如傳 統(tǒng) 的望遠 鏡 已經(jīng)勾 勒 出 了清 晰 的宇 宙 的地 圖 ， 線 對 直 撞 機數(shù) 據(jù)與其 他實驗 和觀測 的結合將勾 勒 出暗宇 宙 的圖景 ， 使宇 宙 的結 構散 發(fā)出光 芒 。 探 索額外 維度 嗎？它是 全 部暗物 質 嗎？它 為什 么在那 里 ？直線對 撞機 對 回答這 些 問題 將 是 至關 重 要 的 ， 可 以對 暗 它 物質 粒子 以

6、及 它們 與其他 粒子 的相 互作 用進行 精確 的測 量 。直線對 撞機 實驗 可 以確定 本節(jié) 的暗物 質故 事 中的是 什么 和為什 么 的問題 。 對 稱 性 超 空 間額 外維 度 是 弦理 論 的一 個 預言 ， 的發(fā) 現(xiàn) 它 將 顯著地 改變 時間和 空間 的概念 ?？?間的每一 點將 有額 外 的空 間維度 附加 在上 面 。額外 維度 可能會 非 常微小 ， 或者 會 隱藏 在 視 野之 外 。物 質 可能 由 已經(jīng) 愛 因斯 坦統(tǒng) 一理論 之 夢 的一個 主要障礙 是 大尺 度 的規(guī) 律和小 尺度 的規(guī)律 間的沖 突 。量子力 學揭示 了一個 不守規(guī) 矩 的亞原 子世 界

7、， 子形成 “ 泡” 虛 粒 氣 、 無縹 緲 ， 然后 消失 。在宇 宙 的尺度 上 ， 我們 看 到恒 星 和 星系按 照永恒 的引力定 律平穩(wěn) 地運 動 。為 了協(xié)調 明顯 的矛盾 ， 必須 存 在 給 量 子宇 宙 帶 來 秩序 的新 原 理。超對 稱性 是 弦理 論 的一 種 預 言 ， 可能 成 為關 它 鍵 之點 。 生 活在 額外 維度之 中并感 受其 影響 的粒子構 成 。在 額外維 度 中運動 的粒 子可 能 具 有額 外 的能 量 ， 它 使 看起來 像 它 自身 的一 種更重 的形式 。對 這些 粒子 的 質量和 其他 性質 的測量將 會顯 示 出額外維 度看起 來 是

8、何種 樣子 。 如果 新 的額外 維度在 萬 億 能標 上存 在 ， 就 將 會發(fā) 現(xiàn)它們 ； 實驗將 尋找 高能量 碰撞 ， 在那 里粒子 會 完全 消失并 變成額 外 的維 度 。直線對撞 機通 過探 超對 稱性 認為 所有 已知 的粒子 都存 在更重 的超 對稱 伴 隨子 （ 稱超 伴 子 ） 即 能給 亞 原 子 世 界帶 來 簡 ， 秩序 的新 粒子 。最輕 的超 伴子很 可 能就是 暗物 質 的 現(xiàn) 代 物 理 知 識 維普資訊 一 個 候選 者 ， 因此 也 許 還 能 解 釋宇 宙 的結 構 。超 對 能力 探測 很 重 的 。實 驗將 探 測 重 粒子 對 輕 的 物質 粒子

9、對 產(chǎn)生 的量 子效應 。直線對撞 機數(shù) 據(jù)可 以 清 楚地 區(qū)分 粒 子 的不 同起 源 。例如 ： 自統(tǒng) 二 框 來 架 自然 地解 釋 了 中微 子 質量 起 源 的 ； 自統(tǒng) 一 希 來 格 斯粒 子與其 他 物質 粒 子 的框 架 的 ； 動 進 入 運 一 稱性 甚 至還能 解 釋希 格 斯 粒 子 的存 在 ， 并存 在許 多 類 希格斯 的兄 弟姐 妹 。 也許 能夠 大量產(chǎn) 生 一些 最 重 的 超伴 子 ， 然 后 它們就 衰變 成最 輕 的超 伴 子 和許 多 普 通 的粒 子 ， 在粒 子探 測器 中留下壯 觀但 卻復 雜 的信 號 。直線 對 維或更 多 額外 維度

10、， 一 步 的分 析 可 能會 通 過 找 進 弦 的協(xié) 奏 曲 撞 機最適 合制 造較 輕 的超伴 子 。直線 對撞 機實 驗可 以一 次集 中研 究一 種超 伴子 ， 測量 它們 的性 質 ， 潔凈 到進 入這些 維度 的其 他粒子 來證 實這 一點 。 得足 以研究 超 對稱 性 的對 稱 性 ， 揭 示 暗物 質 的超 并 對稱 本質 。用 這種 方 法 ， 理 學 家 在 直 線對 撞 機 上 物 可 以發(fā)現(xiàn) ， 超對 稱性 是 如 何 同時 塑造 了 宇宙 內在 的 運行 機制 和宏 偉 的構建 。 物 質 的 統(tǒng) 一 弦理論 是統(tǒng) 一大 尺度 的規(guī)律 與小 尺度 的規(guī)律 的 最

11、有 希望 的候選 者 。它 的 目標是 認識量 子 引力 的本 質， 以及 與其 他 自然 力 和 宇 宙 這二 者 的聯(lián) 系 。在 弦 理論 中 ， 引力 通過 它 對 超 對稱 性 的效 應 與粒 子 物 理 學 聯(lián) 系起 來 。如果 在 和 上 發(fā) 現(xiàn) 了超 對稱 在 日常世 界 中， 力使 物 質 四處 運 動 并使 其 東 西 分開 。在 亞原 子世 界 中 ， 也 能 夠 將 一 種基 本 粒 子 力 轉變 成另一 種 。這 種 轉 換 表 明 ， 成 物質 的粒 子 是 組 以基本 卻 又 神秘 的 方 式 聯(lián) 系起 來 的 。一 種 可 能 性 是， 在大爆 炸 時期 只有一

12、種物 質粒 子 ， 后 隨著宇 宙 然 的冷 卻 ， 這種粒 子呈 現(xiàn) 出很 多 種看起 來不 同的形式 。 這 可能 意味著 ， 目前 已知 的 種 不 同的物質 粒子 實 際上是 同一 種粒 子 的不 同 姿態(tài) ， 這種 思想 被 稱 為 物 質 的統(tǒng)一 。 性， 物理 學家 就能 夠 檢 驗 弦激 發(fā) 對 超 伴子 的性 質 的 預 言 。然 后 ， 對這 些 超 伴 子 的精 確 測 量 就能 夠 勾 勒 出在超 高能標 度 引力 和弦 的性 質 。 這 就是 我 們 目前 認 識 的最前 沿 的物 理 學 ， 但是 基 本研究 就 要看直 線對撞 機 實驗對 弦 的 自恰 內涵 的

13、檢 驗能力 了 。此處 ， 線對 撞 機 的 精度 是 至 關 重要 直 的， 因為 弦效 應看 起來 只 與超 伴 子 參數(shù) 的外 推 值有 很 小 的差 別 。對模 擬 和 數(shù) 據(jù) 的綜 合分 析 顯 示 ， 可 能 與 潛 在 的弦 振 動 的基 本 參 數(shù) 相 吻 合 。 有 這雖 然不是 直接 發(fā) 現(xiàn) 弦 本 身 ， 這 種成 果 將 真正 實 但 現(xiàn) 愛 因斯 坦 的最大 膽 的愿望 。 如果 在 上 發(fā)現(xiàn) 超伴 子 ， 理學 家就 能夠 對 物 物質 統(tǒng)一 進行 最后 的檢驗 。由超對 稱強 加 的粒子 質 量 和相互 作用 的有序 的模 式 可能會 提供 構建 物質 的 芝 加

14、 哥 大 學 物 理 學 家 揚 基 （ 金 寫道 ：在 羅切 斯特大 學 的研 究 生 院 ， 決定 研 ） “ 我 究 粒子物 理學 ， 因為對 我來說 ， 它看 起來 是我所 能想 新方式 。特 別是 ， 這些 模 式 將 會把 萬 億 能 標 的測 量 與 可能會 出現(xiàn) 物質統(tǒng) 一 的高得 多 的能量 上 的測量 聯(lián) 系起 來 。直 線對 撞機 的實 驗具 有探 索這 種聯(lián) 系 的精 像 的最令人 興奮 的領 域 ， 且 也是 為之 付 出一 生 的 而 最 有益 的方式 。但那 時我從沒 真 的認識 到它將 會是 度， 就像一 臺望 遠鏡那 樣 聚焦 于大爆 炸 的最初 瞬 間 。

15、物質 的 統(tǒng) 一 的發(fā) 現(xiàn) 將 是 意 義 深 遠 的 。它 意 味 多 么 的激 動 人心 。我們 曾 以為 自己 已經(jīng) 如此 了解 了 有 著夸克 、 子和基 本作 用力 的美 麗而有 序 的宇 宙 ， 輕 但 在過 去的 年里 我們 認識 到 ， 只不 過是它 全貌 那 的很微 小 的一 個 部 分 。 占宇 宙 的 暗物 質 和 暗 能量 完全 是神 秘 的。一個 有待 于發(fā) 現(xiàn) 的未知粒 子和 力 的宇宙 ， 對粒 子 物 理 學 家來 說 ， 是 令 人興 奮 的。 那 我告訴 學 生們 ， 他們 正在參 加 一場革 命 ， 這不僅 僅是 粒子 物理學 的革命 ， 且 是 人 類 觀察 宇 宙 的方 式 的 而 革命 。每 一天 我們都 在 離驚人 的發(fā) 現(xiàn)更 近一些 。正 是 這些 使得 我 每晚都 工作 到深 夜 。 ” （ 北京 市 中 國科 學 院高能 物理研究 所 ） 編譯 自美 國能 源 部 和 國 家 科 學 基 金會 編著 的 現(xiàn) 量 子 宇 宙 發(fā) 。 著， 所有普 通物 質最終 都將 土崩 瓦解 ， 志著 宇宙 的 標 最終命 運 。它需 要 新 的 基本 自然 力 的存 在 ， 些 力 這 將產(chǎn) 生一種 奇異 的粒 子 的 神秘 的變 幻 過 程 ， 超 越 它 了已經(jīng)觀測 到 的任何