大型強子對撞機LHC探秘,它在尋找什麼

昨天我們講了大型強子對撞機LHC(the Large Hadron Collider )的構造和工作原理大型強子對撞機LHC探秘，現代奇蹟是怎麼工作的，今天讓我們再來了解一下，LHC有什麼用途呢。為什麼要花費大量財力物力來建造它呢？

現在的成就

目前，LHC的最重大的發現是2012年7月4日發現了「上帝粒子」——希格斯玻色子。

高能粒子碰撞

為什麼希格斯玻色子這麼重要呢？因為它可能可以解釋質量的根源。為什麼物質有質量？科學家已經發現了一些沒有質量的粒子，比如中微子。為什麼有的粒子有質量而有的沒有呢?科學家們提出了許多想法來解釋質量的存在。其中最簡單的是希格斯機制。這個理論認為可能存在一個粒子和一個相應的中介力和其他粒子作用，使其他粒子運動速度減慢。測量時，相當於給予了其他粒子質量。雖然希格斯玻色子已經被發現，但是要完全證明希克斯機制還需要更多的直接的實驗證明。

通用探測器CMS和ATLAS的探測結果，證明了很多理論模型尤其是標準模型裡的很多預測，也證明了很多理論模型的錯誤。這聽起來似乎沒什麼可激動人心的。不過我們可以想想，之前有各種各樣的模型，它們都部分符合低能下的物理現象。科學家如果不能驗證它們的正確與錯誤，就有可能有大量的人走在錯誤的道路上，花費很多時間在對自己的研究和物理的發展毫無意義的事情上。

CMS探測器

在LHCb探測結果中已經發現既有一定信號強度的味物理的衰變反常信號，如果在之後實驗中證明了它的存在，那麼標準模型就有可能被推翻。

ALICE探測結果為等離子體物理、多體問題和量子色動力學的相變問題都提供了都提供了直接的實驗證據進行下一步的研究。

LHC還在尋找什麼

我們在以下幾方面講講物理學家對LHC的實驗還有什麼期待。

標準模型

為了增加對宇宙的了解，比如宇宙的實際結構是什麼樣的，又是怎麼運作的，物理學家們提出了一個叫做標準模型的理論，這個理論我們之前提過好幾次。它結合了愛因斯坦相對論和量子理論，試圖定義和解釋構成宇宙的基本粒子。

標準模型粒子

根據之前的實驗和理論，我們現在認為，基本粒子被四種基本力支配：強核力（強相互作用力）——把夸克聚集在一起形成每個質子;弱核力（弱相互作用力）——引起放射性衰變;電磁力——在帶電粒子之間起作用;(弱核力和電磁力實際上是同一力的不同方面，被稱為電弱力，但我們不會在這裡討論這個問題。)當然，還有引力。

這些力並不是神秘，簡單地說，它們是「相互作用」:當一個力起作用時，粒子交換被稱為玻色子地載體粒子。每一種力都有自己的玻色子。但是，屬於引力的被稱為引力子的玻色子從未被觀測到，純粹是假設。而且因為引力過於微弱，在標準模型中並不討論它。不過，LHC高能狀態下的粒子碰撞實驗也許有新的發現。

標準模型對宇宙做了幾次預測，根據各種實驗，許多預測是正確的。但該模型的其他方面仍有待證明。而建立LHC或者之後建立更高能級的加速器，就可以進一步證明標準模型的對錯。目前，標準模型是最可靠的理論模型，如果被完整證明，對理論物理學的發展是一個大的飛躍。

弦論

弦論學是區別於標準模型的另一種宇宙模型。

弦論

弦論認為宇宙的基本組成部分不是粒子，而是弦。弦子可以是開放的，也可以是閉合的。它們可以振動，就像撥動吉他弦一樣。不同的振動使弦看起來像是不同的東西。比如，電子和中微子就是兩種振動的弦的表現形式。

一些科學家認為弦論沒有證據來支持它理論本身。但弦論將引力納入了標準模型——沒有額外的理論，很難做到。並且它也調和了愛因斯坦的廣義相對論和量子場論。問題是仍然沒有證據能證明弦子這種無窮小粒子的存在。這導致一些科學家認為弦論是一種哲學而不是科學。

弦論學家希望LHC的實驗結果為弦論提供支持。他們正在尋找超對稱的跡象。根據標準模型，每個基本粒子都有一個被稱為反粒子的孿生粒子，它們質量相同電荷相反。在它們相遇時，互相湮滅，其質量轉化為能量。超對稱理論認為，粒子也有超伴子，而超伴子又有自己的對應物。這意味著每個粒子都有三個反粒子。儘管我們還沒有在自然界中觀測到這點，但弦論家們希望LHC能夠證明它們的存在。

反物質

科學家們還有一個問題跟宇宙中早期條件下的物質有關。

宇宙膨脹理論

剛剛我們提到了標準模型中的粒子和反粒子。在宇宙誕生時，物質和能量是耦合的，即物質和能量剛剛分離，物質和反物質的粒子就相互湮滅了。如果有等量的物質和反物質，這兩種粒子就會相互抵消。但幸運的是，宇宙中物質比反物質多一點，不然咱們就不可能現在探討LHC了。

科學家們希望能夠在LHC實驗中觀測能夠觀察一些基本粒子和它們的反孿生粒子，從而確定微小的差異是否可以解釋這種明顯的自然界的不對稱性。這也能幫助我們更好地研究宇宙形成的奧秘。

暗物質和暗能量

暗物質在物理研究中扮演著重要角色。

暗物質和暗能量

我們目前對宇宙的認識表明，我們所能觀測到的物質只佔所有必須存在的物質的4%左右。當我們觀察星系和其他天體的運動時，我們發現它們的運動表明宇宙中有更多的我們沒有觀測到的物質——稱這些物質為暗物質。

不過，可觀測物質和暗物質加在一起，也只佔宇宙的四分之一。另外四分之三的能量來自一種被稱為暗能量的力，它們造成了宇宙的膨脹。

科學家們希望，實驗結果要麼為暗物質和暗能量的存在提供進一步的證據，要麼為支持另一種理論提供證據。

結語

上面所說的這些只是粒子物理學的冰山一角。LHC也有可能會發現一些奇特、甚至違反直覺的東西。比如，一些科學家相信LHC可能會發現其他維度的證據。我們習慣於生活在一個四維的世界——三維空間和時間。但有些理論只有在宇宙中有更多維度時才有意義。例如，弦論的一個模型要求不少於11維的存在。

LHC隧道

儘管LHC可能令人十分驚嘆，但它們本身不會改變我們第二天起床、面對生活和工作的任何具體方式。不過，我想表達的是，那些日常看起來離我們十分遙遠的理論，可能完全改變我的生活，完全超乎我們想像之外。

我們現在生活在一個資訊時代，但這並不是一夜之間就能歸結為一個單一的發現。它的根源可以追溯到19世紀那些傑出的理論家和實驗家，他們做了許多基礎性的工作——法拉第、麥克斯韋和湯姆森等等。因此，誰知道希格斯玻色子、暗物質粒子或額外維度是否最終會在未來50-100年內導致某種類似的巨大飛躍呢?

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