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【博科园-科学科普(关注“博科园”看更多)】我们的世界主要由三夸克结合的粒子组成。夸克被称为强子化的过程,至今仍未得到充分的理解。来自Cracow的核物理研究所的物理学家们,在大型强子对撞机(LHCb)的合作下,获得了关于它的新信息,这要归功于对大型强子对撞机中质子的高能碰撞所收集的独特数据的分析。当质子加速到最大的能量在LHC中相互碰撞时,它们的组成粒子-夸克和胶子-创造了一个令人迷惑的中间状态。在这种相对简单的粒子的碰撞中,这种中间状态会显示出一种液体的性质,这是一种典型的复杂结构(重离子)的碰撞,这是一个很大的惊喜。

在两个质子的碰撞过程中产生的粒子,每个质子的能量为7 TeV,由LHCb实验的探测器在2011年对撞产生。图片版权:CERN, LHCb

这种性质的性质表明存在一个新的物质状态:夸克-胶子等离子体,其中夸克和胶子表现为自由粒子。这种外来液体立即冷却。因此夸克和胶子在一种叫做哈德龙化的过程中彼此重新连接。这就是强子的诞生,粒子是两三个夸克的结块。由于最近对7兆电子伏特能量收集的数据进行了分析,位于Cracow的核物理研究所(IFJ PAN)的研究人员在LHCb协作中工作,获得了质子-质子碰撞中hadronisation机制的新信息。质子对撞的主要作用是由强相互作用,量子色动力学描述的。然而在夸克-胶子等离子体冷却过程中发生的现象,在计算上是如此复杂,直到现在还不能完全理解哈德龙化的细节。

然而这是一个关键的过程!正是由于这一点,在大爆炸后的第一个瞬间,形成我们日常环境的主要粒子是由夸克和胶子组成的,Marcin Kucharczyk教授(IFJ PAN)。在大型强子对撞机中,hadronisation速度极快,并且在质子碰撞点附近的极小区域内发生:它的尺寸仅能到达毫微秒,即十亿分之一米。因此这一过程的直接观察目前是不可能的。为了获得关于它的课程的任何信息,物理学家必须接触到各种间接的方法。一个关键的角色是由量子力学的基本工具:一个波函数,它的属性是由给定类型的粒子的特征映射(值得注意的是,尽管它是量子力学的诞生以来近100年,仍然存在各种波函数的解释。

相同粒子的波函数会有效重叠,即相互干扰。如果它们由于干扰而增强,我们讨论的是玻色-爱因斯坦关系,如果它们被抑制-费米-狄拉克相关性。博士生Bartosz Malecki解释道:在我们的分析中感兴趣的是增强,也就是玻色-爱因斯坦关系。我们正在寻找这些介子之间的介子,它们之间的方向接近于质子的碰撞光束的原始方向。这种方法最初是用于射电天文学的,被称为HBT干涉测量法(从它的两个创造者的名字:罗伯特汉伯里布朗和理查德·特维)。当使用与粒子有关时,HBT干涉测量法可以确定强子化区域的大小及其随时间的演变。它有助于提供有关的信息,例如这个区域对于不同数量的发射粒子或其不同类型是否不同。

大型强子对撞机探测器的数据使我们可以研究所谓小角度区域的哈德龙化过程,即在接近初始质子束方向的方向上产生的强子。由IFJ PAN所进行的分析表明,在大型强子对撞机的LHCb实验所覆盖的这个独特区域中,描述hadronisation源的参数与从较大角度获得的结果不同。marusz Witek教授总结道:提供这些有趣结果的分析将继续在LHCb实验中,用于各种碰撞能量和不同类型的碰撞结构。因此可以验证一些描述hadronisation的模型,从而更好地理解过程本身的过程。来自IFJ PAN的团队的工作部分是由波兰国家科学中心的OPUS拨款资助的。Henryk Niewodniczanski核物理研究所(IFJ PAN)目前是波兰科学院最大的研究所。锅的广泛的研究和活动包括基础研究和应用研究,从粒子物理学和天体物理学。

通过强子物理、高,中期,和低能核物理,凝聚态物理(包括材料工程),对各种方法的应用核物理的跨学科研究,涉及医学物理学、剂量测定法、辐射、环境生物学、环境保护、和其他相关学科。在汤森路透出版的期刊引用报告中,IFJ PAN的年平均产量包含600多篇科学论文。该研究所的部分是回旋加速器中心(CCB),它是欧洲中部的一个基础设施,是医学和核物理领域的临床和研究中心。IFJ PAN是Marian Smoluchowski Krakow研究协会的成员:物质能源未来,在2012-2017年的物理学研究中拥有领先的国家研究中心(KNOW)的地位。该研究所是在科学和工程领域的一个+类别(波兰领先水平)。

知识:科学无国界,博科园-科学科普内容:经“博科园”判定符合今主流科学来自:波兰科学院The Henryk Niewodniczanski核物理研究编译:光量子审校:博科园解答:本文知识疑问可于评论区留言传播:博科园

来源:百家号                                                   时间:18-03-05

数十年来,前沿物理学的研究已经离不开高能粒子对撞机。高能粒子对撞机能把粒子加速到接近光速的极快速度,然后使这些粒子互相碰撞,由此来研究粒子的结构,并寻找新的粒子。

目前,世界上最强大的高能粒子对撞机——大型强子对撞机(LHC)已经开机运行了10年,期间它取得了很多重大发现,最具代表性的是在2012年找到了半个世纪前理论预言的希格斯玻色子,这被认为是粒子物理标准模型的最后一块拼图。此外,LHC还能用于研究宇宙最早期的状态。鉴于此,我国物理学家也提出希望建造出一台超级对撞机——环形正负电子对撞机(CEPC),它将超越LHC,让我国的基础物理学研究能够引领世界。

在这个加速器里面,2束高能粒子流在彼此相撞之前,以接近光速的速度向前传播。这两束粒子流分别通过不同光束管,向相反方向传播,这两根管子都处于超高真空状态。一个强磁场促使它们围绕那个加速环运行,这个强磁场是利用超导电磁石获得的。这些超导电磁石是利用特殊电缆线制成的,它们在超导状态下进行操作,有效传导电流,没有电阻消耗或能量损失。要达到这种结果,大约需要将磁体冷却到零下271℃,这个温度比外太空的温度还低。由于这个原因,大部分加速器都与一个液态氦分流系统和其他设备相连,这个液态氦分流系统是用来冷却磁体的。

大型强子对撞机利用数千个种类不同,型号各异的磁体,给该加速器周围的粒子束指引方向。这些磁体中包括15米长的1232双极磁体和392四极磁体,1232双极磁体被用来弯曲粒子束,392四极磁体每个都有5到7米长,它们被用来集中粒子流。在碰撞之前,大型强子对撞机利用另一种类型的磁体“挤压”粒子,让它们彼此靠的更近,以增加它们成功相撞的机会。这些粒子非常小,让它们相撞,就如同让从相距10公里的两地发射出来的两根针相撞一样。

这个加速器、它的仪器和技术方面的基础设施的操作器,都安装在欧洲粒子物理研究所控制中心的同一座建筑内。在这里,大型强子对撞机内的粒子流将在加速器环周围的4个区域相撞,这4个区域与粒子探测器的位置相对应。

大型强子对撞机产生的能量是其他粒子加速器以前都无法达到的,但是自然界中的宇宙光相撞产生了更高的能量。多年来,这种高能粒子相撞产生的能量的安全性问题,一直备受关注。据新实验数据和对相关理论的新认识显示,大型强子对撞机安全评估团已经重新校正了该团在2003年做出的一份调查分析。这个安全评估团由中立派科学家组成。

2003年,有关报告称大型强子对撞机碰撞不存在风险,因此没理由对安全问题过多关注。现在大型强子对撞机安全评估团对这些结论进行了重新审定和补充。不管大型强子对撞机将要做什么,自然界在地球和其他天体的一生中,已经这样做了很多次。欧洲粒子物理研究所科学政策委员会已经重新审查了大型强子对撞机安全评估团的报告,并对该团的观点表示赞成。欧洲粒子物理研究所科学政策委员会是由为欧洲粒子物理研究所的主管团体——董事会提建议的院外科学家组成。欧洲粒子物理研究所总结出的主要论据,可支持大型强子对撞机安全评估团的论文观点。任何对更多细节感兴趣的人,都被鼓励直接商讨这个问题和它涉及的技术科学论文。

宇宙射线

跟其他粒子加速器一样,大型强子对撞机在受控实验室环境中重新再现了宇宙射线的自然现象,这使科学家能对宇宙射线进行更加详细的研究。宇宙射线是外层空间产生的粒子,其中一些粒子通过加速,产生的能量远远超过了大型强子对撞机产生的能量。在大约70年的实验中,宇宙射线传播到地球大气层的能量及速度都已经被监测到。在过去的数十亿年间,地球上的自然界内发生的粒子撞击次数,已经相当于大约100万次大型强子对撞机实验,可是至今地球仍然存在。天文学家在宇宙中观测到大量体积更大的天体,它们都受到宇宙射线轰击。宇宙的运行情况,就如同像大型强子对撞机一样的实验每秒运行超过数百亿次。任何危险结果的可能性与天文学家看到的现实相矛盾,因为至今恒星和星系仍然存在。

微型黑洞

当比我们的太阳更大的特定恒星在生命最后阶段发生爆炸时,自然界就会形成黑洞。它们将大量物质浓缩在非常小的空间内。假设在大型强子对撞机内的质子相撞产生粒子的过程中,形成了微小黑洞,每个质子拥有的能量可跟一只飞行中的蚊子相当。天文学上的黑洞比大型强子对撞机能产生的任何东西的质量更重。据爱因斯坦的相对论描述的重力性质,大型强子对撞机内不可能产生微小黑洞。然而一些纯理论预言大型强子对撞机能产生这种粒子产品。所有这些理论都预测大型强子对撞机产生的此类粒子会立刻分解。因此它产生的黑洞将没时间浓缩物质,产生肉眼可见的结果。

虽然稳定的微小黑洞理论站不住脚,但是研究宇宙射线产生的微小黑洞结果显示,它们没有危害。大型强子对撞机内发生的撞击,与地球等天体和宇宙射线发生碰撞不同,在大型强子对撞机内的碰撞过程中产生的新粒子,一般比宇宙射线产生的粒子的运行速度更加缓慢。稳定的黑洞不是带电,就是呈中性。不管是宇宙射线产生的粒子,还是大型强子对撞机产生的粒子,如果它们带电,它们就能与普通物质结合,这个过程在粒子穿越地球时会停止。地球依然存在的事实,排除了宇宙射线或大型强子对撞机可产生带电且危险的微小黑洞的可能性。如果稳定的微小黑洞不带电,它们与地球之间的互动将非常微弱。宇宙射线产生的那些黑洞可以在不对地球造成任何危害的情况下穿过它,进入太空,因此由大型强子对撞机产生的那些黑洞也可继续停留在地球上。然而,宇宙中有比地球更大更密集的天体。宇宙射线与中子星或白矮星等天体相撞产生的黑洞可处于休眠状态。地球等这种致密体继续存在的事实,排除了大型强子对撞机产生任何危险黑洞的可能性。

奇异微子与‘天使粒子’

奇异微子是针对一种假设的微小“奇异物质”产生的术语,奇异物质包含几乎与奇异夸克数量一样的粒子,‘天使粒子’则是探索‘马约拉纳费米子’一种正负粒子同体的‘独立’粒子晶格。据理论成分最高的研究显示,奇异微子在一百万分之一千秒内,能转变成普通物质。但是奇异微子能否与普通物质结合,变成奇异物质?2000年相对论重离子对撞机(RHIC)在美国第一次出现时,人们提出了这个问题。当时的一项研究显示,人们没有理由关注这个问题,现在相对论重离子对撞机已经运行8年,它一直在寻找奇异微子,但是至今仍一无所获,奇异微子也许是一种重质量的‘惰性中微子’的存在。有时大型强子对撞机就像相对论重离子对撞机一样,需要通过重核子束运转。大型强子对撞机的光束拥有的能量将比相对论重离子对撞机的光束拥有的能量更多,但是这种情况使奇异微子形成的可能性更小。就像冰不能在热水中形成一样,像这种对撞机产生的高温,很难让奇异物质结合在一起。另外,夸克在大型强子对撞机中比在相对论重离子对撞机中更加微弱,这使它很难聚集奇异物质。因此在大型强子对撞机内产生奇异微子的可能性,比在相对论重离子对撞机内更小。这个结果已经证实奇异微子不会产生的论点。

真空泡沫

曾有推测认为,现在宇宙没处在它最稳定的状态,大型强子对撞机产生的微扰将能让它进入更加稳定的状态,这种状态被称作真空泡沫,在这种状态下人类将不复存在。如果大型强子对撞机确实能做到这些,难道宇宙射线碰撞就无法达到这种效果吗?由于目前在肉眼可见的宇宙中的任何地方都没产生这种真空泡沫,因此大型强子对撞机将不能产生这种物质。

磁单极子

磁单极子是假设中带单极性磁荷的粒子,每个只拥有北极或南极。一些纯理论指出,如果它们确实存在,磁单极子将导致质子消失。这些理论还表示,这种磁单极子因为太重,根本无法在大型强子对撞机内产生。然而,如果磁单极子的重量足以在大型强子对撞机内出现,宇宙射线撞击地球大气层早就该产生这种物质了,如果它们确实存在,地球能非常有效地阻止并捕获它们,现在人们应该已经发现它们。地球和其他天体继续存在的事实,排除了能吞噬质子的危险磁单极子的重量足够轻,可以在大型强子对撞机内产生的可能性。

模拟爆炸

2010年11月8日,科学家们开始利用位于瑞士和法国边境的欧洲大型强子对撞机制造小型“宇宙大爆炸”,模拟近140亿年前宇宙形成的瞬间过程。

这是该机器第一次使用铅离子进行对撞,以往实验均使用质子。铅离子和质子统称“强子”,但前者比后者更大、更重。8日开始的实验取名为“爱丽丝”(ALICE),是“大强子对撞实验”的英文缩写。实验第一阶段任务将于今年12月完成。

在全长约27公里的环形轨道内部,两束铅离子束流朝着相反的方向前进,它们每运行一圈,就会获得更多的能量,速度也随之增加。对撞瞬间产生的高温相当于太阳核心温度的10万倍,即10万亿度。据信这个温度就是137亿年前宇宙大爆炸刚刚发生后百万分之几秒内的温度。在这一温度下将产生“夸克—胶子等离子体”。现有物理学理论认为,宇宙诞生后的百万分之几秒内,宇宙中曾存在过一种被称为“夸克—胶子等离子体”的物质。科学家们希望通过迷你“宇宙大爆炸”实验,解开宇宙形成之谜。

近日,中国宣称要建造世界上最大的大型强子对撞机,其规模要超越LHC,但是对于这一建造计划,国际知名的美籍华裔物理学家杨振宁先生曾经是不太支持的。

但是王义芳坦言项目的施工可能会从2022年开始,如果世界各地的朋友感兴趣的话,只要项目进程顺利,到2030年进行开放是没有问题的。

中国将要建造的对撞机规模可长达100公里,中国的超级粒子对撞机一旦问世,绝对就是世界上最大的粒子对撞机了,不过从造价方面来看,中国对于对撞机技术的研发却是后来居上,因为我国的对撞机造价只是欧洲强子对撞机的一半而已,而我们设备的规模却将近他们的四倍。

然而,杨振宁教授对此反对的原因是性价比。

通常建造这种大型对撞机的预估经费是不够的,极有可能要追加投入。而且建成之后,每年还要投入大量的资金用于设备维护。

中国大型对撞机就像资金黑洞,会把大量的科研经费吸进入,以使其他等待资金投入的科研领域变得捉襟见肘。即便如此巨大的资金投入,在短时间内,中国粒子对撞机也不一定能够取得重大的发现。现在的理论物理学还没有取得实质性的突破,不能给实验指示一个明确的方向,耗费这么多的资金只是去搏一把。

其实对于本项目的建设计划,反对声和赞成声是持平的。对此,你有什么意见和看法呢?

来源:凤凰网科技                                                  时间:2018年12月10日

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