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粒子|深埋地下的对撞机 怎样洞悉微观世界的秘密

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深埋地下的对撞机 怎样洞悉微观世界的秘密
粒子物理系列报道②
2021年3月 ， 欧洲核子研究中心(CERN)宣布 ， 其大型强子对撞机(LHC)发现了四种全新的粒子 ， 它们是四种不同的四夸克态 。
迄今为止 ， LHC已经发现了共59种新强子 ， 包括此次最新发现的四夸克态以及其他诸多粒子 。 那么 ， 科学家们是如何确定他们发现了“新粒子”呢？
宣告新发现并不容易
20世纪70年代 ， 科学家们创立了粒子物理标准模型 ， 清楚地给出了组成世界的基本粒子的信息 ， 包括它们的种类、质量、电荷、自旋以及它们之间的相互作用 。 标准模型好比一个宾馆套间的“手册” ， 上面清楚详细地说明了每一件物品的名称、种类、数量、位置等 ， 从而使客人能够非常舒服地住在里面 。
在过去的近半个世纪中 ， 科学家们在实验中发现的所有粒子 ， 都能在标准模型中找到对应的身份 ， 并且其性质也与“手册”中的预测基本吻合 。
“科学家们通过实验验证并拓展理论框架 ， 一个核心的任务是去寻找标准模型预言的但尚未发现的 ， 以及超出该理论解释范畴的新现象和新粒子 。 ”中国科学技术大学近代物理系特任教授吴雨生告诉采访人员 ， 这类新发现在人类一步一步揭开物质世界根本规律的科学研究中至关重要 。
这一点从上个世纪以来的诸多基础科学突破中都能得到佐证：从1905年通过光电效应证实光子的存在 ， 到2012年发现希格斯粒子 ， 标准模型理论预言的所有基本粒子均被发现 。 标准模型预言下的基本粒子研究 ， 也使得人类在探索宇宙本源和物质本质的路上越走越远：预测到反物质的存在、发现中微子质量并不是零、观测到黑洞乃至探测到引力波等 。 “每次新发现都如同向静谧深邃的潭水投入一块石头 ， 激起圈圈涟漪 ， 推进一系列新科学、新技术的诞生 。 ”吴雨生说 。
【粒子|深埋地下的对撞机 怎样洞悉微观世界的秘密】“在粒子物理实验中 ， 新现象的发现到底是否确凿可信 ， 一般用统计学中的显著程度来表征 。 显著度表达为高斯分布标准差的倍数 ， 即几倍σ(西格玛) 。 ”吴雨生告诉采访人员 ， 倍数越大则越可信 。 “如果显著度为5σ ， 这个新发现被认为确凿无疑 ， 以假乱真的可能性甚至低于百万分之一 ， 而3σ显著度的实验结果也较为可信 ， 所对应的存伪概率仅为千分之一 。 ”吴雨生说 。
吴雨生告诉采访人员 ， 5σ和3σ分别对应于科学结论“发现了新现象”和“找到了新现象存在的迹象” ， 是科学家们宣告新发现的重要依据 。 对于基础性的重大发现 ， 科学界极为严谨严苛 ， 不光要求实验发现的统计显著度达到5σ ， 还要能经得起时间的检验 。 “另外 ， 还要求有独立进行的其他实验去重复验证其结果 。 ”吴雨生说 。
对标准模型的检验从未停止
“自从标准模型诞生以来 ， 人们对标准模型的检验就从未停止过 。 ”吴雨生说 ， 探索微观世界的奥妙 ， 就必须要有可靠的实验手段来观测各类物理现象 ， 这些实验手段需要能产生微观粒子并进行反应 ， 能记录并分析反应结果 ， 从而与理论预言对比 。 “在不同方案、不同条件下进行大量精密实验 ， 可以全方位地检验标准模型 ， 并且有可能发现那些稀有的、模型内和模型外的新现象 。 ”他说 。
粒子物理学轻子家族中最著名的粒子是电子 ， 电子是物质的关键组成部分 。 但电子并不是轻子家族唯一的成员 ， 它有两个更重的兄弟姐妹 ， μ子和τ轻子 ， 它们一起被称为三种轻子口味或“味道” 。 根据粒子物理标准模型 ， 这些兄弟姐妹之间唯一的区别应该是质量：μ子比电子重约200倍 ， 而τ轻子比μ子重约17倍 。
按照标准模型 ， 每种味与一个W玻色子都可能有一样的相互作用 。 “轻子的味道又称‘代’ ， 电子、μ子以及τ轻子 ， 分属标准模型中的三个不同代 。 人类的每一代之间可能会有‘代沟’ ， 但在标准模型中 ， 不同代的相应轻子虽然胖瘦不一 ， 即质量不同 ， 但它们都必须以相同的面貌参与微观世界的各类聚会 ， 即基本粒子的反应过程 ， 这就是轻子味普适性的预言 。 ”吴雨生说 。
“这是一个很奇妙的预言 ， 许多物理学家希望寻找违背这个普适性的新现象 ， 来探究超越标准模型理论存在的可能性 。 ”吴雨生说 ， 近期媒体报道的LHCb的一个实验工作 ， 就是专注于检验标准模型的一个基本预言 ， 即违背轻子普适性现象的可能迹象 。 “这个实验结果引起了很多关注 ， 但显著度尚远不足以宣称新发现 ， 并有待时间的检验 ， 以及后面其他实验的验证 。 ”
“轻子味的普适性已经被在不同的过程和能量范围内进行了高精度的探索 。 尽管轻子味普适性原理已经通过了最新的测试和检验 ， 但在发现的许多反常现象被明确探测之前 ， 大型强子对撞机实验仍在继续进行 。 ”吴雨生说 。
加速器与对撞机联手寻找谜底
新的基本粒子靠什么来寻找？答案是通过加速器和对撞机 。
“简单地说 ， 加速器就是带电粒子借由电场增加能量 ， 通过具有能量的带电粒子进行科学研究 ， 比如说去打靶或者进行对撞 。 比如说我们家庭中的电视机就是一个最简单的直线加速器 。 ”吴雨生说 ， 电子经过电视机的加速就会得到一定的能量 ， 能量单位叫做电子伏特 。 电场是用来加速带电粒子的 ， 也就是给它提供能量 ， 增加速度 。
加速器可以粗略地分成两类：一类叫做直线加速器 ， 一类是环形加速器 。 直线加速器就是粒子走直线 ， 环形加速器就是粒子通过磁场一圈一圈都在里面运转 。
“有了加速器 ， 就可以用它进行科学研究 ， 用带电粒子去打原子核或者对撞 。 ”吴雨生说 ， 粒子撞击人眼是看不见的 ， 因此需要用探测器 ， 相当于代替人眼来看对撞之后产生的粒子的种类、多少和特性 。
对撞机也分两类：一个是直线对撞机 ， 粒子相向运动 ， 在一个对撞点对撞 。 另一个是环形对撞机 ， 正负电子是相对而行 ， 一圈一圈不停地加速 ， 再进行对撞 。
“加速器既是一门物理科学 ， 同时还是技术与工程 ， 这是粒子加速器的一个非常重要的特点 。 ”吴雨生说 。
上世纪60年代 ， 世界上第一台正负电子对撞机在意大利建成 。 其后在日内瓦的欧洲核子中心(CERN) ， 建成世界上最大的正负电子对撞机LEP 。 之后科学家将LEP拆除 ， 在其隧道中建成了世界上最大的质子对撞机LHC 。
“因为我们要探索的物质最深层的尺寸越来越小 ， 而探测的物质层次越深 ， 看的东西越小 ， 就需要‘光线’的波长越小 ， 能量就必须越大 。 因此对撞机的高能量是必然需求 。 ”吴雨生说 ， 世界上最大的质子对撞机LHC也是能量最高的粒子加速器 ， 它深埋在地下100米深、总长27千米(含环形隧道)的隧道内 。
“LHC体积巨大 ， 能将粒子加速到接近光速 ， 这正是强磁场使粒子围绕加速环运行的结果 。 其磁场强度非常大 ， 因此如果摆在地面上 ， 周边很大范围内就不允许其他设施和人员存在 。 ”吴雨生说 ， LHC深埋地下 ， 也是为了排除其他干扰 ， 获得一个更纯粹的实验环境 。
“大型强子对撞机能量状态可与宇宙大爆炸后不久的状态相比 。 科学家利用质子碰撞后的产物探索物理现象 ， 例如 ， 寻找到标准模型预言的希格斯粒子 ， 探索超对称、额外维等超出标准模型的新物理等 。 ”吴雨生说 。
事实上 ， 在建造LHC的过程中 ， 科学家已经获得了许多改善我们生活的科研成果 。 比如互联网最初就是欧洲核子研究中心的科学家为了解决数据传输问题而发明的 ， 其他譬如癌症治疗、摧毁核废料以及帮助科学家研究气候变化等的一些成果 ， 也得益于大型强子对撞机 。
本报采访人员 吴长锋
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