科學家:解開暗物質之謎就靠它了-暗物質,希格斯玻色子,大型強子...

2021-01-15 快科技

據國外媒體報導,2012年,希格斯玻色子的發現令整個科學界歡呼不已。在粒子物理學的標準模型中,希格斯玻色子是其他粒子質量的來源。它的發現,是歐洲核子研究中心(CERN)大型強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)最令人矚目的成就,也是對這座世界最大粒子加速器的最好認可。近日有科學家稱,我們完全有足夠的理由期待,大型強子對撞機能在未來幾年內帶來更加偉大的發現,或許能解開歷史上最重要的一個謎題。

莫妮卡·鄧福德博士一直在瑞士的歐洲核子研究中心從事研究工作,直到2013年。他直接參與了2012年希格斯玻色子的探測項目。歐洲核子中心的大型強子對撞機(圖中顯示部分)埋在法國與瑞士邊界一個長度為27公裡的地下管道中,位於侏羅山脈腳下。

「我最感興趣的事情之一是創造和發現暗物質,」莫妮卡·鄧福德博士說,「從對宇宙的測量中我們知道,宇宙的25%是暗物質,但我們根本不知道暗物質是什麼。」

莫妮卡·鄧福德博士原本來自美國加利福尼亞州,如今是德國海德堡大學的研究人員。直到2013年之前,她都在瑞士的歐洲核子研究中心工作,是廣受好評的紀錄片《粒子狂熱》(Particle Fever)中描述的六位科學家之一。

尋找希格斯玻色子是大型強子對撞機的最初目標之一,因此越接近發現的時刻,歐洲核子研究中心的氣氛就越緊張。上圖描繪的是緊湊μ子線圈(Compact Muon Solenoid,CMS)實驗中的質子碰撞,用來探尋希格斯玻色子。

20世紀60年代,英國物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs)博士將希格斯玻色子理論推進了一大步。這種粒子被描述為標準模型中「缺失的一塊」。

在探尋希格斯玻色子的過程中,包括史蒂芬·霍金在內的一些科學家,實際上是支持不要發現發現這種粒子。2013年,有報導援引霍金的講話稱,如果希格斯玻色子沒有被發現,那事情就會變得「更加有趣得多」,因為這將使新宇宙理論的出現成為可能。

莫妮卡·鄧福德(Monica Dunford)博士來自美國加利福尼亞州,現在是德國海德堡大學的研究人員。直到2013年之前,她都在瑞士的歐洲核子研究中心工作。她是廣受好評的紀錄片《粒子狂熱》(Particle Fever)中描述的六位科學家之一。該紀錄片記述了2008年在歐洲核子研究中心利用大型強子對撞機進行的第一輪實驗,正是這些實驗催生了2012年希格斯玻色子的發現。

發現希格斯玻色子是大型強子對撞機(LHC)的最初目標之一,但屬於LHC最重要的時刻或許正要來臨。「我最感興趣的事情之一是創造和發現暗物質,」莫妮卡·鄧福德博士說,「從對宇宙的測量中我們知道,宇宙的25%是暗物質,但我們根本不知道暗物質是什麼。如此巨大的一部分,你卻完全不知道是由什麼組成的。我們或許能通過衰變產物製造出一種暗物質的候選粒子。如果能在LHC中把它製造出來,那就將在天文學測量和實驗室產物之間建立起極大的聯繫。」

對於這是否將是LHC迄今為止最為重要的發現,她說:「我個人認為是的。這將是一個比希格斯玻色子更為偉大的發現。對於希格斯玻色子,我們已經有了非常堅實的理論預測基礎;但對於暗物質,我們並不知道它會是什麼樣子。」

她補充說:「我們已知的粒子中沒有能夠解釋暗物質的,更不用說暗能量了。所以,如果我們能直接在LHC中製造出暗物質粒子,那將是我們了解宇宙組成道路上的一大步。」

莫妮卡·鄧福德博士於2006年來到歐洲核子研究中心,參與了這一世界最大粒子加速器的最初建立和發展。「一開始我們在建造探測器,」她說,「當時真是很棒,雖然壓力很大,但感覺很好。我們的核心團隊大概有幾百人,日夜工作。」

在經歷了最初階段之後,研究團隊開始對探測器獲得的數據進行分析,相比之下這些工作就沒那麼有趣了。「一開始,在希格斯玻色子還沒有被發現的時候,我們的工 作壓力很大,」莫妮卡·鄧福德博士接著說,「我們有著一大堆的數據,人們常常在問『它在那裡嗎?我們能看到它嗎?』到了宣布結果的2012年,這種壓力達到了白熱化。我覺得,在我的職業生涯中肯定不會再有第二次這樣的時刻了。」

希格斯玻色子的發現不僅是物理學的重大突破,而且也是對耗資91億美元建設和維持大型強子對撞機的回報。然而,當時包括史蒂芬·霍金在內的一些科學家,實際上是支持不要發現這種粒子的。

2013年, 有報導援引霍金的講話稱,如果希格斯玻色子沒有被發現,那事情就會變得「更加有趣得多」,因為這將使新宇宙理論的出現成為可能。莫妮卡·鄧福德博士對此表 示,即使沒有發現希格斯玻色子,物理學也會同樣有趣。「自然就是自然,」她說,「我們在努力揭開它的奧秘。我們認為希格斯玻色子存在,但如果自然界中存在 不同的東西,那可能反而更好。我們就要重新回到繪圖板之前。但這並不能稱之為失敗,沒有看到任何東西也同樣令人振奮,只是對於理論研究的同事們來說,這意 味著更多的工作。」

目前,我們還不知道大型強子對撞機發現暗物質的概率能有多大。許多理論,特別是標準模型都預測了暗物質的存在。如果大型強子對撞機無法發現它,那我們可能還需要建造更大的儀器。

2015年,LHC中兩個質子束對撞的能量將增加為原來的兩倍,達到13TeV,這在粒子加速器中是空前的。莫妮卡·鄧福德博士稱,這將為發現新粒子帶來「極大的潛力」,特別是對暗物質的探索,甚至是其他我們目前還未知的粒子。無論未來如何,LHC已經證明了國際合作能帶來多麼偉大的成就。歐洲核子研究中心是一個非常國際化的組織,科研人員為了同樣的目標在努力工作。莫妮卡·鄧福德博士希望,隨著媒體的關注度不斷提高,公眾能切實感受到到基礎物理學的重要性。

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