探索自然世界的構(gòu)成
在公元前600年的古希臘時(shí)代，“自然世界的構(gòu)成”是一個(gè)熱門話題。
大圖模式古希臘哲學(xué)家試圖用理性思維來理解肉眼觀察到的自然循環(huán)和變化，如為什么水會(huì)變成冰，為什么空氣凝結(jié)會(huì)變成水等等。米利特有三位哲學(xué)家:泰勒斯、安尼斯孟德和阿納提姆，他們相信自然界的一切事物，盡管看起來是變化的，但一定是由一種基本的物質(zhì)構(gòu)成的。這三者對單一的基本物質(zhì)持有不同的觀點(diǎn)。
一百年后，德謨克利特提出了唯物主義:一切都是由一個(gè)微小的、不可分割的組成部分，他稱之為原子。因?yàn)闆]有任何東西來自虛無，大自然的基石必須是永恒的。所有的原子都是堅(jiān)硬的固體，但它們并不完全相同。自然界是由無數(shù)形狀各異的原子組成的。德謨克利特不相信在自然界的變化過程中存在任何力量或靈魂。自然界的一切都是相當(dāng)機(jī)械化的，一切都遵守必要的規(guī)則。
大圖模式雖然這些希臘哲學(xué)家的思想非常簡單和美麗，但他們沒有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。2000多年后,俄羅斯科學(xué)家門捷列夫開創(chuàng)了化學(xué)元素周期表,安排原子發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)根據(jù)他們的原子量,和觀察,這些原子的化學(xué)性質(zhì)可以簡化和分組,表明原子由更小的基本粒子。經(jīng)過50多年的實(shí)驗(yàn)和理論的相互作用，物理學(xué)家建立了今天量子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。
大圖模式在標(biāo)準(zhǔn)模型中，基本粒子包括夸克、輕子和作用體。有六種夸克六種輕子和它們的反粒子上夸克，下夸克，迷人夸克，奇夸克，上夸克，下夸克，電子，殘余物，陶茲，電子中微子，中微子和中微子。四種作用體負(fù)責(zé)基本相互作用力的傳遞:光子負(fù)責(zé)電磁力，膠子負(fù)責(zé)強(qiáng)作用力，Z玻色子和W玻色子負(fù)責(zé)弱作用力。
大圖模式夸克或輕子不直接通信。相反，它們通過像郵遞員一樣的演員彼此交流和互動(dòng)。傳輸?shù)男畔⒌膹?qiáng)度取決于粒子的電荷和力常數(shù)?？淇丝梢越邮者@四種作用體的信息，因?yàn)樗鼈兙哂须姶烹姾?、色電荷和弱電荷。輕量化不帶色彩電荷，因此無法接收膠子信息(不參與強(qiáng)力)。值得一提的是，中微子只有微弱的電荷，只能感受到微弱的力，因此被稱為“鬼粒子”。
在電磁力中，強(qiáng)的力和弱的力，無疑，最容易感覺到和熟悉的是電磁力。正電核和負(fù)電電子通過光子相互吸引并結(jié)合形成原子;雖然原子是電中性的，但是兩個(gè)非常接近的原子就像兩個(gè)電偶極子一樣相互吸引，這就叫做范德華力。原子群是由分子通過范德華力成鍵而組成的。電磁力決定原子和分子的化學(xué)性質(zhì)。類似地，有色帶電夸克(或反夸克)通過膠子與有色中性介子或重子結(jié)合;你所熟悉的質(zhì)子和中子是許多上夸克和下夸克排列組合中最輕、最穩(wěn)定的重子。質(zhì)子和中子就像顏色的偶極子一樣，相互吸引形成原子核。弱力量4到6個(gè)數(shù)量級小于部隊(duì)和電磁力強(qiáng)勁,但他們實(shí)際上是地球上生命的起源:弱力量在陽光下氫轉(zhuǎn)化為氦經(jīng)過一系列的反應(yīng),釋放光和熱,和放射性衰變產(chǎn)物用于癌癥治療等醫(yī)療目的。
注意!當(dāng)粒子被稱為基本粒子時(shí)，就意味著我們認(rèn)為粒子不能再被分割，沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。然而，不像我們的直覺認(rèn)為基本粒子是不可變的，它們可以通過電磁或弱力衰減到其他較輕的基本粒子，盡管它們不能被分離。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，只有第一代粒子構(gòu)成穩(wěn)定的物質(zhì)，而其他粒子則構(gòu)成壽命較短的物質(zhì)(重子或介子)，最終衰變?yōu)榈谝淮Ｗ踊蜃饔皿w。
大圖模式當(dāng)前量子物理學(xué)的主題
對于“自然世界是由什么構(gòu)成的”這個(gè)問題，量子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型雖然給了我們最接近真實(shí)世界的答案，但它并不是最理想和最完整的答案。許多問題仍未得到解答。這里有幾個(gè)例子。
今天的物理學(xué)家和希臘哲學(xué)家有一個(gè)共同的信念，即自然可以由少量的規(guī)則決定，但標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子的數(shù)量似乎要大一些。這是否意味著夸克和輕子不是基本粒子，它們只是低能基本粒子的一面和兩面?或者可能有很多基本粒子，我們還沒有找到所有的夸克和輕子?細(xì)心的讀者應(yīng)該能夠發(fā)現(xiàn)，引力還沒有包括在標(biāo)準(zhǔn)模型中。還有另一個(gè)重子嗎?此外，這些基本粒子的質(zhì)量范圍非常廣:有比電子輕的中微子，有質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量184倍的頂夸克，質(zhì)量比質(zhì)子低11個(gè)數(shù)量級。為什么這些基本粒子有質(zhì)量?在光化子中，光子和膠子沒有質(zhì)量，但是為什么W玻色子和Z玻色子的質(zhì)量分別是質(zhì)子的86倍和97倍呢?是因?yàn)樗鼈兣c希格斯粒子的相互作用嗎?那么為什么我們還沒有發(fā)現(xiàn)希格斯粒子呢?在宇宙大爆炸的時(shí)候，據(jù)估計(jì)正粒子和反粒子的數(shù)量是相等的。為什么自然界中穩(wěn)定的物質(zhì)現(xiàn)在是由正粒子組成的?我們只能在實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)品中看到反粒子?
大圖模式為了找到這些問題的答案，物理學(xué)家設(shè)計(jì)了一些實(shí)驗(yàn)來理解這些基本粒子的性質(zhì)。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，大多數(shù)粒子不可能穩(wěn)定存在，但物理學(xué)家可以在更簡單的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中制造它們，然后用相機(jī)式的探測器記錄這些粒子或其衰變產(chǎn)物的軌跡，然后用計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)。
為了制造更輕的粒子或它們的反粒子，高速的電子或質(zhì)子可以與金屬靶碰撞，然后過濾掉不需要的產(chǎn)物，這就是目標(biāo)設(shè)定實(shí)驗(yàn)。在美國布魯克海文實(shí)驗(yàn)室、斯坦福直線加速器中心和費(fèi)米高能實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)設(shè)定實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了迷人夸克和底夸克。但量子物理學(xué)家不僅想知道基本粒子的性質(zhì)，還想發(fā)現(xiàn)希格斯粒子和標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新粒子。大多數(shù)未發(fā)現(xiàn)的新粒子質(zhì)量都很高，可能是質(zhì)子質(zhì)量的數(shù)百甚至數(shù)千倍。但是目標(biāo)設(shè)定實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)是不可能將整個(gè)系統(tǒng)的能量100%轉(zhuǎn)化成質(zhì)量來產(chǎn)生粒子。由于在所有的沖擊中都必須保持動(dòng)量守恒，所以系統(tǒng)的一部分能量必須貢獻(xiàn)給撞擊目標(biāo)后的產(chǎn)物的動(dòng)能，所以撞擊后的產(chǎn)物的總動(dòng)量等于發(fā)射體在撞擊前的動(dòng)量。
相反，對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)用兩個(gè)能量相同但動(dòng)量相反的質(zhì)子或電子進(jìn)行碰撞，在靜止?fàn)顟B(tài)下就能產(chǎn)生高質(zhì)量的新粒子。也就是說，所有碰撞器的能量都轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。在歐洲核研究中心和美國費(fèi)米高能實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子反質(zhì)子對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了高質(zhì)量的W玻色子、Z玻色子和top夸克。
今天最具能量的對撞機(jī)是大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)，它經(jīng)常出現(xiàn)在新聞報(bào)道中，位于瑞士日內(nèi)瓦郊區(qū)的歐洲核子研究中心。
大圖模式大型強(qiáng)子對撞機(jī)
LHC是一個(gè)圓形加速器，位于地下100米，周長26.7公里。它由一系列諧振器、1232偶極超導(dǎo)磁體和392四極磁體組成。電場的作用是加速帶電粒子，磁場的作用是彎曲和聚焦帶電粒子，使它們在四個(gè)碰撞點(diǎn)發(fā)生碰撞。LHC的四個(gè)碰撞點(diǎn)都有一個(gè)檢測器來測量碰撞產(chǎn)生的粒子的性質(zhì)。整個(gè)加速器橫跨瑞士和法國。它是世界上最昂貴、最大、能量最大的強(qiáng)子加速器。所使用的強(qiáng)子大多是質(zhì)子，而鉛離子碰撞每年只發(fā)生一個(gè)月。因此，我們只引入質(zhì)子碰撞。
大圖模式LHC的整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)由LHC加速器、前方加速器和碰撞點(diǎn)處的四個(gè)探測器組成:超導(dǎo)環(huán)場探測器(ATLAS)、緊湊型微米線圈(CMS)、大型離子對撞機(jī)(ALICE)和LHC底夸克探測器(LHCb)。首先，氫原子中的質(zhì)子和電子被分解，質(zhì)子在直線加速器中被加速到5000萬電子伏特。接下來，質(zhì)子被送到半徑越來越大的圓形前級加速器——質(zhì)子同步加速器推進(jìn)器、質(zhì)子同步加速器和超質(zhì)子同步加速器，從而達(dá)到4500億電子伏特的動(dòng)能。為了增加物理反應(yīng)和有趣粒子的概率，超過1011個(gè)質(zhì)子被壓縮在一個(gè)半徑為30微米到45微米、長度約為10厘米的圓柱形空間中。加速器的每一階段，除了加速質(zhì)子組外，還在不斷冷卻和聚焦質(zhì)子組，以實(shí)現(xiàn)高密度的質(zhì)子束。最后，兩束質(zhì)子束在LHC軌道上順時(shí)針和逆時(shí)針運(yùn)行約20分鐘，然后達(dá)到最大動(dòng)能(LHC設(shè)計(jì)的最大值為7兆伏)。
讓我們回顧一下帶電粒子是如何在垂直于其運(yùn)動(dòng)平面的磁場中運(yùn)動(dòng)的:它們軌跡的曲率半徑與磁場的大小成反比，與粒子的動(dòng)量成正比。也就是說，如果粒子要保持在相同的圓形加速器軌道上，磁場的大小必須隨動(dòng)量變化。LHC磁場的最大強(qiáng)度為8.33特斯拉，軌道半徑為26.7公里，這就決定了質(zhì)子所能擁有的最大能量為7mv，也就是說，當(dāng)質(zhì)子碰撞時(shí)，質(zhì)心系統(tǒng)的最大能量可以達(dá)到14mv。LHC曾使用了7兆伏的質(zhì)心能量，它將質(zhì)心能量增加到了8兆伏。一個(gè)兆伏的能量，相當(dāng)于1.6爾格(1.6×10-7焦耳)，實(shí)際上是一只蚊子全速飛行所需要的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于100克蘋果下落1米所需要的動(dòng)能(1焦耳)。
事實(shí)上，任何有質(zhì)量的粒子都不能超過光速。當(dāng)粒子的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速時(shí)，它又回到牛頓力學(xué)中的動(dòng)能。當(dāng)粒子速度接近光速時(shí)，粒子速度的增加速度比粒子動(dòng)能的增加速度慢得多。
大圖模式LHC研究小組
LHC碰撞點(diǎn)的每個(gè)探測器都有一個(gè)負(fù)責(zé)ATLAS、LHCb、CMS和ALICE的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)。其中ALTAS和CMS實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)多達(dá)3000人。其主要目的是發(fā)現(xiàn)希格斯粒子，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新物質(zhì)。ALICE，顧名思義，專門研究由鉛離子碰撞產(chǎn)生的夸克膠子等離子體狀態(tài)來理解宇宙的形成;LHCb專門研究底夸克的性質(zhì)，以幫助理解正反粒子不對稱和反粒子不對稱的原因。
地圖集探測器的尺寸最大:長46米，寬25米，高25米，相當(dāng)于10層樓高，有三個(gè)籃球場那么大。CMS探測器重12.5萬噸，相當(dāng)于65頭藍(lán)鯨。除了4個(gè)碰撞點(diǎn)的檢測器外，在ATLAS和CMS檢測器的前端和后端分別有兩個(gè)小檢測器LHCf和TOTEM。
碰撞點(diǎn)上的探測器通常由多層子探測器組成。內(nèi)層和最近的碰撞點(diǎn)為帶電粒子軌跡探測器，外層為電磁和強(qiáng)子量熱計(jì)，外層為隱蔽性探測器。
偵測粒子的軌跡
大圖模式想要徹底了解粒子的性質(zhì)，我們必須知道粒子產(chǎn)生時(shí)的動(dòng)量大小、方向以及能量的大小，也就是所謂的四維動(dòng)量。帶電荷粒子的動(dòng)量大小和方向，可以從它們在軌跡偵測器里所留下的信號算出——?jiǎng)恿看笮≌扔诹Ｗ釉诖艌鲋羞\(yùn)動(dòng)軌跡的曲率半徑；而質(zhì)子一質(zhì)子對撞點(diǎn)，也就是粒子產(chǎn)生點(diǎn)和軌跡偵測器有信號的位置，兩點(diǎn)的聯(lián)線方向便是動(dòng)量方向。
常見的軌跡偵測器有硅晶軌跡追跡系統(tǒng)和氣體漂移室。不管軌跡偵測器的材料為何，其物質(zhì)密度都不能過高，這樣當(dāng)帶電粒子經(jīng)過軌跡偵測器時(shí)，只會(huì)損失非常微小的能量，而所測量到的動(dòng)量便不會(huì)偏離帶電粒子進(jìn)入軌跡偵測器之前原有的動(dòng)量。如果粒子本身是不帶電荷的，但是會(huì)衰變到帶正電和帶負(fù)電的粒子，我們可以從這些衰變產(chǎn)物來推導(dǎo)出原來粒子的動(dòng)量。
粒子的能量可以由電磁和強(qiáng)子量能器里的信號來得到。量能器是一種“破壞性”偵測器，本身可以誘發(fā)簇射，所以必須放在軌跡偵測器外圍才不會(huì)干擾動(dòng)量的測量。簇射產(chǎn)物中，起初只有少數(shù)高能量的次級粒子，這些次級粒子進(jìn)一步被引發(fā)二次簇射、三次簇射……使得次級粒子的數(shù)目逐漸增加，而能量逐漸降低。一旦所產(chǎn)生的次級粒子能量夠低并且?guī)в须姾?，這些次級粒子便會(huì)被量能器記錄下來。
既然渺子帶有電荷，我們可以用軌跡偵測器測量到它的動(dòng)量，那么為何要在量能器外圍再裝一個(gè)渺子偵測器？
大圖模式原因是，在標(biāo)準(zhǔn)模型里，帶電荷的粒子中，只有渺子可以在損失極小能量的情況下穿越量能器，而在渺子偵測器被偵測到。其他粒子不是早就衰變，便是已經(jīng)在量能器里損失所有的能量，例如電子或正子在電磁量能器中損失所有能量。雖然渺子最終還是會(huì)衰變，不過它的生命期是2.2微秒，平均來說，對于一般對撞機(jī)所產(chǎn)生的渺子，至少要行進(jìn)6000米才會(huì)衰變，這一距離顯然遠(yuǎn)大于一般偵測器的大小。渺子偵測器的基本作用原理，事實(shí)上和靠近對撞點(diǎn)的軌跡偵測器一樣，所使用的大多是氣體漂移室。
如同前面所提到的，微中子不會(huì)和對撞機(jī)偵測器產(chǎn)生電磁交互作用或強(qiáng)交互作用，所以無法被直接偵測到。判別微中子的方法，只有看每個(gè)對撞事件是否有迷失動(dòng)量。
在同一個(gè)質(zhì)子一質(zhì)子對撞事件里，所有粒子的總動(dòng)量必須等于零，如果有粒子沒有被偵測到，其他被偵測到的粒子的總動(dòng)量便會(huì)不等于零，也就是說，這個(gè)對撞事件有迷失動(dòng)量。迷失動(dòng)量是所有偵測到的物理量里，最難校正的一項(xiàng)。偵測器要是有一個(gè)區(qū)域無法正常運(yùn)行，或是被偵測到的粒子能量有誤差。對撞事件便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“偽迷失動(dòng)量”。雖然困難，但是許多粒子物理學(xué)家還是努力研究迷失動(dòng)量，因?yàn)槌宋⒅凶又?，尚未發(fā)現(xiàn)的重力作用子、超對稱粒子或其他新粒子，都有可能逃離偵測器而留下迷失動(dòng)量。
