CERN的大型強(qiáng)子對撞機(jī)

大型強(qiáng)子對撞機(jī)隧道內(nèi)的冷磁體

   過去幾十年來，物理學(xué)家不斷在細(xì)節(jié)上加深對構(gòu)成宇宙的基本粒子及其交互作用的了解。了解的加深讓粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”變得更為豐滿，但這個模型中仍存在縫隙，以至于我們無法繪制一幅完整的圖畫。為了幫助科學(xué)家揭示粒子物理學(xué)上這些關(guān)鍵性的未解之謎，需要大量實(shí)驗數(shù)據(jù)支持，大型強(qiáng)子對撞機(jī)便擔(dān)負(fù)起“數(shù)據(jù)提供者”的角色，這也是非常重要的一個步驟。大型強(qiáng)子對撞機(jī)能夠?qū)墒|(zhì)子加速到空前的能量狀態(tài)而后發(fā)生相撞，此時的撞擊可能帶來意想不到的結(jié)果，絕對是任何人都無法想象的。

　　牛頓未完成的工作——什么是質(zhì)量？

　　質(zhì)量的起源是什么？為什么微小粒子擁有質(zhì)量，而其它一些粒子卻沒有這種“待遇”？對于這些問題，科學(xué)家到現(xiàn)在也沒有找到一個確切答案。最有可能的解釋似乎可以在希伯斯玻色子身上找到。希伯斯玻色子是“標(biāo)準(zhǔn)模型”這一粒子物理學(xué)理論中最后一種尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子，它的存在是整個“標(biāo)準(zhǔn)模型”的基石。早在1964年，蘇格蘭物理學(xué)家彼得·希格斯(Peter Higgs)便首次預(yù)言存在這種粒子，但迄今為止，科學(xué)家仍未見過它的廬山真面目。

　　ATLAS 和 CMS實(shí)驗將積極尋找這種難于捉摸的粒子存在跡象。

　　一個“看不見”的問題——96%的宇宙由什么構(gòu)成？

　　我們在宇宙中看到的一切——從小螞蟻到巨大的星系——都是由普通粒子構(gòu)成的。這些粒子被統(tǒng)稱為物質(zhì)，它們構(gòu)成了4%的宇宙。余下的部分據(jù)信由暗物質(zhì)和暗能量構(gòu)成，對它們進(jìn)行探測和研究的難度不可想象。研究暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)是當(dāng)今粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

　　ATLAS 和 CMS實(shí)驗將尋找超級對稱的粒子，用于驗證一種與暗物質(zhì)構(gòu)成有關(guān)的假設(shè)。

　　大自然的偏好——為什么找不到反物質(zhì)？

　　我們生活在一個由物質(zhì)構(gòu)成的世界，宇宙萬物——包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)都是由物質(zhì)構(gòu)成的。反物質(zhì)就像物質(zhì)的一個孿生兄弟，但它卻攜帶相反電荷。在宇宙誕生時，“大爆炸”產(chǎn)生了相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)。然而，一旦這對孿生兄弟碰面，它們就會“同歸于盡”，并最終轉(zhuǎn)換成能量。不知何故，少量物質(zhì)幸存下來，并形成我們現(xiàn)在生活的宇宙，而它的孿生兄弟反物質(zhì)卻幾乎消失得無影無蹤。為什么大自然不能一碗水端平，平等對待這對孿生兄弟呢？

　　LHCb實(shí)驗將尋找物質(zhì)與反物質(zhì)之間的差異，幫助解釋大自然為何如此偏向。此前的實(shí)驗已經(jīng)觀察到兩者之間的些許不同，但迄今為止的研究發(fā)現(xiàn)還不足以解釋宇宙中的物質(zhì)和暗物質(zhì)為何在數(shù)量上呈現(xiàn)出明顯的不均衡。

　　“大爆炸”的秘密——物質(zhì)在宇宙誕生后的第一秒呈什么狀態(tài)？

　　構(gòu)成宇宙萬物的物質(zhì)據(jù)信來源于一系列密集而熾熱的基本粒子。現(xiàn)在宇宙中的普通物質(zhì)由原子構(gòu)成，原子擁有一個由質(zhì)子和中子構(gòu)成的核子，質(zhì)子和中子都是被稱之為“膠子”的其它粒子束縛夸克形成的。這種束縛非常強(qiáng)大，但在最初的宇宙，由于溫度極高加之能量巨大，膠子很難將夸克結(jié)合在一起。也就是說，這種束縛似乎是在“大爆炸”發(fā)生后的最初幾微秒內(nèi)形成的，此時的宇宙擁有一個由夸克和膠子構(gòu)成的非常熾熱而密集的混合物，也就是所說的“夸克-膠子等離子體”。

　　ALICE實(shí)驗將利用大型強(qiáng)子對撞機(jī)模擬大爆炸發(fā)生后的原始宇宙形態(tài)，分析夸克-膠子等離子體的性質(zhì)。

　　隱藏的世界——空間的額外維度真的存在嗎？

　　根據(jù)愛因斯坦廣義相對論，人類生存的三維空間加上時間軸即構(gòu)成所謂四維空間。后來的理論認(rèn)為，可能存在擁有隱藏維度的空間。弦理論便暗示額外的空間維度尚未被人類觀察到，它們似乎會在高能條件下顯現(xiàn)出來。基于這種推測，科學(xué)家將對所有探測器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)分析，以尋找額外維度存在跡象。(孝文）