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加速寻找暗物质

大型强子对撞机探测器开始以前所未有的 13.6 电子伏特能量记录高能碰撞。

大型强子对撞机再次为实验提供质子碰撞,这一次以前所未有的 13.6 TeV 能量,迎来第三轮加速器,为物理获取数据。

现场爆发出一阵掌声 欧洲核子研究组织 控制中心 2022 年 7 月 5 日,美国中部标准时间下午 4 点 47 分,大型强子对撞机 (LHC) 探测器开启所有子系统并开始以 13.6 电子伏特的前所未有的能量记录高能碰撞,开启了物理学的新赛季。 这一壮举的实现要归功于自那时以来一直在夜以继日工作的操作员 大型强子对撞机将于 4 月重启 使用高强度光束和增强的能量确保这些碰撞的顺利开始。

经过三年多的现代化和维护工作,大型强子对撞机现在计划以创纪录的 13.6 万亿电子伏 (TeV) 的功率运行近四年,从而提供更高的准确性和可探测性。 有几个因素指向一个充满希望的物理季,这将扩大已经非常多样化的 LHC 物理项目:增加 碰撞率、更高的碰撞能量、改进的数据读取和选择系统、改进的检测系统和计算基础设施。

CERN 控制中心 LHC 重启

在 CERN 控制中心 (CCC) 庆祝 LHC Run 3 的开始。图片来源:CERN)

经过三年多的现代化和维护工作,世界上最强大的粒子加速器大型强子对撞机 (LHC) 的实验于 7 月 5 日星期二开始了新的数据采集阶段。 自 4 月以来,欧洲核子研究中心加速器综合体中已经开始流通包裹,大型强子对撞机及其喷射器重新启动,以使用新的、更高密度和通电的包裹。 然而,大型强子对撞机的运营商现在宣布了“静态光束”,这种状态允许实验打开所有子系统并开始获取将用于物理分析的数据。 大型强子对撞机将以创纪录的 13.6 万亿电子伏特功率全天候运行近四年,提供比以往更高的精度和可探测性。

我们将质子束聚焦在小于 10 微米的束的相互作用点上,以提高碰撞率。 与第 1 轮相比,希格斯被 12 个倒置的 femtobarns 捕获,现在在第 3 轮,我们将提供 280 个倒置的 femtobarns。 这是一个显着的增长,为新发现铺平了道路,”加速器和技术总监 Mike Lamont 说。

LHC 偶极子对撞机的 3D 渲染

大型偶极强子对撞机的 3D 渲染。 信用:欧洲核子研究中心)

LHC 的四项主要试验对其数据读取和选择系统进行了重大升级,配备了新的检测系统和计算基础设施。 这些更改将使他们能够收集更大的数据样本,并且比以前的操作具有更高质量的数据。 ATLAS 和 CMS 检测器预计在第 3 次运行期间记录的碰撞次数比前两次运行的总和还要多。 LHCb 试验已经过彻底改造,并希望将其数据采集率提高 10 倍,而 ALICE 的目标是将记录的碰撞次数惊人地增加 50 倍。

随着更多的数据样本和更多的碰撞能量,Cycle 3 将扩展已经非常多样化的 LHC 物理项目。 在实验中,科学家们将以前所未有的精度和新的渠道探索希格斯玻色子的性质。 他们可以观察到以前无法访问的过程,并能够提高许多已知过程的测量精度,这些过程解决了一些基本问题,例如宇宙中物质的起源和反物质的不对称性。 科学家将研究极端温度和密度下物质的性质,并将寻找候选者 暗物质 对于其他新现象,要么通过直接搜索,要么间接地通过对已知粒子特性的精确测量。

“我们期待测量希格斯玻色子衰变为第二代粒子,如μ子。这将是希格斯玻色子传奇的全新结果,首次证实第二代粒子也通过希格斯机制,”欧洲核子研究中心的理论家米开朗基罗曼加诺说。

Atlas Collaboration 的发言人 Andreas Höcker 说: “目前尚不清楚自然界中实现的希格斯机制是否是仅包含一个希格斯粒子的最小值。”

一个受到密切关注的主题将是研究一类罕见的过程,其中电子及其表亲分子 μ 子之间的意外差异(轻子风味不对称)已通过 LHCb 实验在大型强子对撞机先前操作的数据中进行了研究。 “使用我们全新的探测器在第 3 轮运行期间获得的数据将使我们能够将准确度提高两倍,并确认或排除与立顿风味普遍性的潜在偏差,”LHCb 合作发言人 Chris Parks 说。 解释大型强子对撞机观察到的异常现象的理论也预测了各种过程中的新影响。 这将是 ATLAS 和 CMS 进行的具体研究的目标。 “这种互补的方法是必要的;如果我们能以这种方式确认新效应,那将是粒子物理学的一项重大发现,”CMS 合作发言人 Luca Malgiri 说。

重离子碰撞计划将允许夸克胶子测试 等离子体 (QGP) – 一种物质状态,在之后的前 10 微秒内出现 大爆炸 – 以前所未有的方式 健康. ALICE 发言人卢西亚诺·穆萨 (Luciano Musa) 说:“我们希望从观察到夸克胶子等离子体的许多有趣特性的阶段转变为我们精确定义这些特性并将它们与其成分的动力学相关联的阶段。” 合作。 除了主要领先运行之外,还将首次包括短时间的氧气碰撞,目的是探索在小型碰撞系统中出现类似 QGP 的效应。

LHC 中最小的实验——TOTEM、LHCf 和 MoEDAL 及其全新的子探测器 MAPP、FASER 和 [email protected] 它还准备探索标准模型内外的现象,从磁单极子到中微子和宇宙射线。

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