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CERN:科学家寻找神秘的幽灵粒子

CERN:科学家寻找神秘的幽灵粒子
  • 帕拉布·戈什 编剧
  • 科学记者

图片来源, Victor de Schwanberg/科学图像库

对照片发表评论,

艺术品:幽灵粒子目前无法检测到

一些物理学家长期以来一直怀疑我们周围世界中神秘的“幽灵”粒子可以极大地增强我们对宇宙真实本质的理解。

现在科学家认为他们已经找到了一种方法来证明它是否存在。

欧洲粒子研究中心(CERN)已批准一项旨在寻找证据的实验。

新仪器对此类颗粒的敏感度将比以前的设备高一千倍。

它将粒子粉碎到固体表面上进行检测,而不是像欧洲核子研究中心的主要仪器大型强子对撞机(LHC)那样相互检测。

那么这些幽灵粒子是什么?为什么需要一种新方法来检测它们?

当前的粒子物理理论称为标准模型。

该理论指出,宇宙中的一切事物都由 17 个粒子组成,其中包括电子和希格斯玻色子等众所周知的粒子,以及鲜为人知但名称美妙的粲夸克、τ 中微子和胶子。

有些以各种组合混合形成更大但仍然非常小的粒子,这些粒子构成了我们周围的世界,以及我们在太空中看到的恒星和星系,而另一些则涉及自然力。

但有一个问题:天文学家观察到了天空中的事物——例如星系的移动方式——这强烈表明我们所能观察到的一切只占宇宙的百分之五左右。

宇宙的一些甚至全部其余部分可能由“隐形”或“隐藏”粒子组成。 它们被认为是标准模型中 17 个粒子的幽灵对应物。

即使它们存在,也很难被发现,因为它们很少与我们所知的世界互动。 就像幽灵一样,它们直接穿过一切,无法被任何地球设备探测到。

但理论上来说,幽灵粒子可以衰变成标准模型粒子,并且可以被探测器探测到。

SHIP 不会将粒子碰撞在一起(这是当前大多数实验所做的),而是将它们碰撞成一大块材料。 这意味着所有分子都被分解成更小的部分,而不是全部在一起。 下图显示了为什么这种“固定目标”方法更有效。

项目负责人、伦敦帝国理工学院的安德烈·戈洛特文教授表示,该实验“代表了寻找隐藏粒子的新时代”。

“SHIP 具有解决粒子物理中许多关键问题的独特潜力,我们有潜力发现以前从未见过的粒子,”他说。

寻找幽灵粒子需要专门改装的设备。

例如,通过使用大型强子对撞机的普通实验,可以在距撞击一米远的地方检测到新粒子。 但幽灵粒子可以保持不可见,并在分解和显现之前传播数十甚至数百米。 所以SHIP的探测器被放置得更远。

“我们是探索者”

帝国理工学院的米特什·帕特尔教授将这种新方法描述为“天才”。

“这个实验真正吸引我的是,这些粒子就在我们眼皮底下,但由于它们相互作用的方式,或者更确切地说,它们不相互作用的方式,我们从未能够看到它们。

“我们是探险家,我们认为我们可以在这个新地形中看到一些有趣的东西。所以,我们必须看看。”

CERN 物理学家 Claudia Ahdeda 博士表示,SHIP 将在 CERN 现有设施内建造。

“我们将利用现有的洞穴、基础设施和部件,我们将尽可能地重复利用它们,我们将拥有一个设施,帮助我们寻找这个以前从未见过的隐藏区域。”她说。

SHIP 将与所有其他 CERN 实验一起运行,其中最大的是大型强子对撞机,自 2008 年完成以来一直在寻找失踪的 95% 的宇宙,耗资 37.5 亿英镑。 到目前为止,除了标准模型之外,还没有发现任何粒子,因此计划建造一台更大、更强大的机器。

未来的环形对撞机将耗资 120 亿英镑。 计划启动日期为 2040 年代中期,但要到 2070 年才能充分发挥其新的粒子捕获潜力。

相比之下,SHIP 试验将于 2030 年开始寻找新分子,成本将便宜一百倍左右,约为 1 亿英镑。 但研究人员表示,需要采取一切方法来探索所有可能的选择,以便找到他们所说的将带来物理学史上最大发现之一的粒子。

帕拉巴·戈什 (Pallabh Ghosh) 和凯特·史蒂文斯 (Kate Stevens) 走进世界上最大的粒子加速器,以找出为什么科学家需要更大的加速器。

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