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核侦探们搜寻从世界上最大的原子粉碎机中逃出的看不见的粒子

大型强子对撞机上的阿特拉斯实验是这台机器的两个大型通用探测器之一。欧洲核子研究中心,

几年后,如果一队物理学家得逞,一座低矮的建筑将矗立在法国和瑞士的边界之上。这个仓库大小的附件将加入一个跨越国界的大型科学设施。而且,如果研究人员提出的构造是正确的,它可能会找到宇宙中丢失的部分。

与大型强子对撞机(LHC)之间由几百英尺垂直的基岩花岗岩隔开,新的建筑将包含一种称为MATHUSLA装置的科学仪器(超大型定时测厚仪稳定的中性粒子),以《创世纪》中寿命最长的人命名。它的工作:寻找大型强子对撞机无法探测到的长寿命粒子。

这个想法有些奇怪。大型强子对撞机是世界上最大、最糟糕的粒子加速器:一个17英里(27公里)的超导磁铁环,每秒11245次,以光速的显著分数相互投掷几千个质子,然后,每当有有趣的事情发生时,记录下结果。[在希格斯粒子之外:还有5个可能潜伏在宇宙中的粒子]

马图斯拉与那台巨大机器的关系,类似于一条无害的雷莫拉鱼依附在利维坦的一侧,吸吮从大生物张开的嘴上溢出的废弃食物的零散斑点。但一些物理学家认为,通过仔细研究这些斑点(在这种情况下,流散的、长寿命的高能粒子穿过大型强子对撞机的墙壁),马图斯拉将有助于解决大型强子对撞机存在的一系列问题,使粒子物理学家越来越警觉,这些问题都无法克服。

将发生的一切,也就是说,如果马图斯拉的创造者能找到人来支付,

缺失的物理

量子宇宙现在是一个大部分碎片都缺失的谜团。科学家们已经发现并把夸克、中微子、玻色子、μ介子和τ轻子、光子和胶子,以及最著名的希格斯玻色子拼凑在一起形成了一个称为标准模型的图像。但那张照片形状奇特,充满了空洞,暗示着还有更多的物理有待发现。

一个间隙就是希格斯玻色子。正如多伦多大学(University of Toronto)教授、马图斯拉(MATHUSLA)概念创始人之一大卫•柯廷(David Curtin)所解释的那样,希格斯粒子的质量并没有量子物理学预测的那么大。因此,目前的宇宙模型需要在希格斯相关方程中进行一次大的、任意的“修正”。几个世纪的经验告诉科学家,像这样的修正通常代表着研究人员尚不了解的东西。爱因斯坦的宇宙学常数就是一个例子,他坚持自己的广义相对论来解释科学家后来发现的是膨胀宇宙的影响——这是爱因斯坦从未怀疑过,后来后悔没有预料到的。[你在现实生活中看到爱因斯坦相对论的8种方式]

物理学家,柯廷解释说,怀疑希格斯奇异的小质量意味着其他未被发现的粒子在那里,影响着它。这和现实中其他奇怪的裂缝——就像科学家称之为暗物质的宇宙中所有缺失的、神秘的物质一样——表明还有许多物理学家还没有看到的物理现象。

大型强子对撞机的作用是填补宇宙谜团中的空白。

杰西·谢尔顿,伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的一位理论物理学家帮助编辑了一份投手马图斯拉(MATHUSLA)的白皮书,他说,迄今为止,除了希格斯玻色子探测本身之外,大型强子对撞机一直令人失望。希格斯粒子出现了,但从那以后,即使在对这台机器进行了一系列的升级之后,寻找新粒子的行动也没有任何结果。

可能是因为人类已经我们将永远无法探测到的粒子的供应。或者可能是大型强子对撞机,也许是因为它的探测器有问题,或者是因为它的光束太弱,根本不能胜任这个任务,她说,

“那里绝对有新的东西。暗物质告诉我们。不幸的是,我们没有任何保证,无论发生什么,都必须以我们在大型强子对撞机上可以探测到的速度与我们交谈,”谢尔顿告诉现场科学

,只要大型强子对撞机成本高达数百亿美元,无法探测到希格斯以外的新物理,她说,很难证明建造任何更大的未来的探测器。她说:“现在,我们需要新的想法。4月份,谢尔顿在俄亥俄州哥伦布举行的美国物理学会(APS)大型会议上,站在一群物理学家面前,争辩说大型强子对撞机可能已经造成了失踪。”但可能无法探测到它们。这是因为大型强子对撞机的所有传感器都经过校准,以检测一种特定的事件:

在两个质子的高能碰撞中出现了一种奇异的粒子。它会在很短的时间内衰变为更稳定、更不奇异的粒子,这些粒子在星暴中向四面八方飞去。这些粒子通过离子板和围绕对撞机光束闪烁的晶体,它们的特定模式为物理学家提供了线索,知道它们来自哪种奇异粒子。

显示了2016年5月9日凌晨在LHCb探测器中拍摄的质子-质子碰撞。(LHCB)

大型强子对撞机已经可以通过一些重新校准来获取长寿命粒子的特征,谢尔顿说。即使是一个通常寿命很长的粒子有时也会迅速衰变。一些长寿命的粒子在衰变前可能会在传感器中留下信号。检测它们可能需要重新校准探测器和算法。谢尔顿称这个计划使用了大型强子对撞机“标签外”。[什么是量子力学],但谢尔顿认为,也许丢失的奇异粒子并不像大型强子对撞机设计者希望的那样迅速衰变。也许像“胶子”和“复合暗胶球”这样的推测性粒子确实存在并出现在LHC上,但在其狭窄的隧道内不衰减。例如,如果一个gluino能够比物理学家预期的时间长几秒,它可以以相当大的光速穿过对撞机的墙壁,穿过掩埋大型强子对撞机的坚固花岗岩数百码,在森林里的某个地方腐烂之前,让它进入法式瑞士阳光。因此,它的信号将远远超出大型强子对撞机的探测能力。[奇怪的夸克和介子,天哪!这些研究人员认为,在法国和瑞士边界的森林中,发现长寿命粒子的最好希望仍然存在。MATHUSLA基本上是一个65英尺高(20米)的仓库,里面装满了位于大型强子对撞机顶部的粒子探测器,它将研究完全逃离大型强子对撞机的粒子。

用一层厚厚的花岗岩将大型强子对撞机的光束与MATHUSLA隔开,大型强子对撞机的大部分翻滚的放射性混乱将消失。只有相对罕见的长寿命粒子穿过地球进入传感器室才需要检测。

“如果一个看不见的粒子上来并衰变,可见粒子(它衰变成)就会有点像是在天花板上散开,”柯廷说探测器层将以与楼下大型强子对撞机内部追踪器完全相同的方式看到这些轨迹。但是这个[探测器阵列]要大得多,而且可以慢得多。

音高

在更大的探测区域内探测到的粒子更少,MATHUSLA可以建立非常详细的奇异粒子衰变的图片-只要上面真的有奇异粒子要探测。

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