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超级对撞机的流产(2) 精选

已有 4965 次阅读 2016-9-27 00:13 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦



寻求弱电对称破缺的机制决非超级对撞机的惟一动机。跟CERN和费米实验室的其他加速器一样,我们总希望一个新的加速器在提高到新的能量水平后,能够揭示一些新的有启发的现象。这种愿望差不多都实现了。例如,建在CERN的老的质子同步加速器没有明确的目标,不知道它会发现什么;当然没有人知道用它产生的中微子束进行的实验会发现中性流的弱力,这一发现在1973年证明了我们现在的弱力和电磁力的统一理论。今天的大加速器的前身是30年代初劳伦斯(Ernst Lawrence)的伯克利回旋加速器,当年是为了把质子加速到足够的高能,以打破原子核周围的静电斥力。劳伦斯不知道质子进入原子核时会发生什么事情。有时候可能预先知道某个特殊的发现。例如,50年代在伯克利建造的质子加速器特别是为了有足够的能量(不过60亿伏特)来产生反质子,即所有普通原子核里都有的质子的反粒子伙伴。现在CERN运行的巨型电子-正电子对撞机原先是为了有足够的能量来产生大量的Z粒子,用它们来对标准模型进行急迫需要的实验检验。但是,即使新加速器是为了某个具体问题设计的,它最重要的发现往往也在意料之外。质子加速器当然也是这种情形;它确实产生了反质子,但它最大的贡献是产生了大量意想不到的强相互作用粒子。同样,人们从一开始就期待着超级对撞机的实验能发现比弱电对称破缺的机制更重要的东西。

高能加速器如超级对撞机上的实验,甚至还能解决现代宇宙学面临的最重要问题:关于丢失的暗物质的问题。我们知道,星系的大部分质量,甚至星系团的大部分质量,都是看不见的,跟太阳那样的发光恒星的物质不一样。为了解释宇宙膨胀速率,普通宇宙学理论还需要更多的暗物质。这样的暗物质不可能是普通形式的原子;假如是的话,大量的中子、质子和电子将影响我们对宇宙膨胀最初几分钟产生的轻元素的丰度的计算,于是计算结果将不再与观测一致。

那么,什么是暗物质呢?多年来,物理学家猜想过它可能由这样那样的奇异粒子构成,但是至今还没有确定的结果。假如加速器能揭示一类新的长寿命粒子,那么,通过测量它的质量和相互作用,我们有可能计算自大爆炸以来留下了多少那样的粒子,从而确定它们是否能够填充宇宙中所有丢失的暗物质。

最近,这些观点通过宇宙背景探测(COBE)卫星的观测有了戏剧性的结果。那颗卫星上的灵敏的微波接收器发现了天空不同区域的辐射温度的细微差别,辐射是宇宙在30万年的时候留下的。人们相信,温度的不均匀性来自那时不太均匀的物质分布的引力场的作用。大爆炸30万年之后的那个时刻在宇宙历史上有着极重要的意义;宇宙那时第一次变得对辐射透明,而一般认为分布不均匀的物质也正好从那时开始在自身引力作用下坍缩,最终形成我们今天在夜空看到的星系。但是根据COBE的观测所推想的不均匀物质分布并不是年轻的星系;COBE只研究非常大尺度的不规则现象。今天一个星系的物质在宇宙30万年时所占据的空间要比那个尺度小得多。假如我们把COBE的观测结果外推到小得多的原生星系的尺度,然后计算在这些相对小的尺度下的物质分布的不均匀程度,我们将陷入一个难题:星系尺度的非均匀性在宇宙30万年的时候会很微弱,不足以在自身引力作用下生成今天的星系。走出困境的路线之一是假定星系尺度的不均匀性在宇宙30万年前已经开始引力收缩了,这样,把COBE的观测外推到更小的星系尺度是没有意义的。但是,如果宇宙物质多数由寻常的电子、质子和中子组成,那条路就行不通。因为在宇宙变得对辐射透明以前,这样的寻常物质的非均匀性不可能经历任何显著的增长;初始的任何物质聚集都将在自身的辐射压力下破碎分裂。另一方面,电中性粒子组成的奇异暗物质可能会在更早的时间变成辐射透明的,从而引力收缩在距宇宙开端更近的时候就开始了,产生比从COBE外推的结果更强的非均匀性,也许强得足以生成今天的星系。假如超级对撞机产生了暗物质粒子,将证实这种星系起源的猜想,从而也说明宇宙的早期历史。

在超级对撞机那样的大加速器上还可能发现很多其他的新东西:组成质子的夸克里的粒子,超对称理论所要求的已知粒子的超对称伙伴,与新的内部对称性相关的新类型的力,等等。我们不知道是否真的存在那些东西,即使存在,也不知道能否在超级对撞机发现。这样,我们又有了一点保证,至少我们预先知道,超级对撞机有望做出一个极其重要的发现,那就是弱电对称破缺的机制。







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