「核偵探」搜尋從大型強子對撞機中逃出來的隱形粒子

來自專欄博科園

幾年之後，如果一群物理學家成功了，一座低矮的建築將會從法國和瑞士之間的邊界升起。這個倉庫大小的附件將加入一個如此大的科學設施，它跨越了國界。而且，如果研究人員提出的構造是正確的，它可能會發現宇宙中缺失的部分。在大型強子對撞機（LHC）中，由幾百個垂直的基岩花崗岩隔開，新建築將包含一種叫做MATHUSLA設備的科學儀器（用於超穩定中性粒子的大規模計時Hodoscope），它以創世紀中壽命最長的人命名。它的工作是：尋找大型強子對撞機無法探測到的長壽命粒子。

大型強子對撞機的阿特拉斯實驗是這台機器的兩個大型萬能探測器之一。圖片：CERN

這個想法有些奇怪，大型強子對撞機是世界上最大、最強的粒子加速器：一環17英里(27公里)的超導磁體，每秒11245次，在接近光速下粒子相互碰撞，然後，每當有任何有趣的事情發生時，記錄下結果。MATHUSLA與那台巨大機器的關係就像一條無害雷摩魚，緊靠在大海獸的一邊，吮吸著從大動物張開嘴裡流出的零散食物殘渣。但是一些物理學家認為，通過仔細研究這些微粒(在這種情況下，在大型強子對撞機壁上拋擲出的雜散、長壽命高能粒子)，MATHUSLA將有助於解決LHC所面臨的一系列問題，而這正是粒子物理學家不斷增加的警報，並沒有被攻克。

缺少的物理特性

量子宇宙現在是一個謎，大部分的碎片都不見了。科學家們已經發現並組合出了夸克、中微子、玻色子、介子和t輕子、光子和膠子，最著名的是希格斯玻色子——它們合在一起形成了一個稱為標準模型的圖像。但這張照片形狀怪異，充滿了空洞，暗示著還有更多的物理現象有待發現。一個缺口是希格斯玻色子。正如多倫多大學(University of Toronto)教授大衛·科廷(David Curtin)和MATHUSLA概念的創始人之一所解釋的那樣：希格斯粒子並不像量子物理學預測的那麼大，因此目前的宇宙模型要求在希格斯相關方程中有一個「修正」。

2016年5月9日凌晨，LHCb探測器上的質子與質子碰撞顯示，圖片：LHCB

幾個世紀的經驗告訴科學家，像這樣的修正通常代表著研究者們尚不了解的事物。阿爾伯特·愛因斯坦的宇宙常數就是一個例子，他堅持自己的廣義相對論來解釋科學家後來發現的宇宙膨脹影響——這是愛因斯坦從未懷疑過的，後來後悔沒有預料到。科廷解釋說，物理學家懷疑希格斯粒子的質量出奇的小，意味著其他未被檢測到的粒子在那裡影響著它。這和現實中的其他奇怪的裂縫——就像科學家們所說的暗物質——宇宙中所有缺失的、神秘的物質——表明物理學家們還沒有看到很多物理現象。

大型強子對撞機的目的是填補宇宙之謎中的空白

傑西·謝爾頓(Jessie Shelton)是伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的理論物理學家，他幫助編輯了一份關於數學的論文，她說：迄今為止，除了希格斯玻色子本身的發現之外，LHC一直令人失望。希格斯玻色子出現了，但從那以後，即使在對機器進行了一系列的升級之後，對新粒子的搜尋也一無所獲。這可能是因為人類已經耗盡了我們能夠探測到的粒子供給。或者是LHC，也許是因為它的探測器存在問題，或者因為它的光束太弱，根本無法勝任這個任務。暗物質告訴我們：那裡絕對有新的東西，不幸的是，沒有任何保證，不管我們有什麼辦法，都可以在大型強子對撞機上探測到。大型強子對撞機(LHC)的成本高達數百億美元，還無法探測出希格斯粒子之外的新物理現象，就很難在未來建造更大的探測器了。

全新理念

今年4月，謝爾頓在俄亥俄州哥倫布市舉行的美國物理學會(APS)的大型會議上站在一群物理學家面前，他認為LHC可能已經製造出了缺失的粒子，但可能無法探測到它們。這是因為大型強子對撞機的所有感測器都是通過校準來檢測特定的事件：一個奇異的粒子出現在兩個質子的高能碰撞中。它將一個令人難以置信的短時間衰變為更穩定的，不那麼奇異的粒子，它在一個恆星爆炸的所有方向上都有條紋。這些粒子通過電離板和圍繞對撞機光束的閃爍晶體，它們的特定模式為物理學家提供了關於它們來自何種外來粒子的線索。

謝爾頓說：大型強子對撞機已經可以通過一些重新校準來獲取長壽命粒子的信號。即使是通常壽命較長的粒子，有時也會迅速衰減。而一些長壽命的粒子在衰變之前可能會在感測器中留下蛛絲馬跡。檢測它們可能是重新校準探測器和演算法問題。謝爾頓把這個計劃叫做「關閉標籤」。但也許缺少的外來粒子不會像LHC的設計者希望的那樣迅速衰退。也許像「gluinos」和「複合暗膠粘球」這樣的投機性粒子確實存在，它們出現在大型強子對撞機上，但並沒有在狹窄的隧道中衰變。如果gluino，甚至可以存活幾分數第二個長於物理學家的預期，皮爾斯對撞機的牆壁，旅行數百碼通過固體花崗岩埋大型強子對撞機，因此它的簽名將遠遠超出大型強子對撞機的探測能力，奇怪的夸克和介子。

儘管如此，這些研究人員認為，探測長壽命粒子的最大希望就在法國-瑞士邊界的森林裡。MATHUSLA，本質上是一個65英尺高(20米)的倉庫，裡面裝滿了粒子探測器，位於大型強子對撞機的頂端，它將研究完全脫離LHC的粒子。大型強子對撞機(LHC)的粒子對撞機(LHC)的光束從數學模型中分離出來，在厚厚的一層花崗岩中，LHC的放射性混沌將會消失。只有相對罕見的長壽命粒子在穿過地球和進入感測器室時才需要探測。如果一個看不見的粒子出現並衰變，可見的粒子(它會衰變)會在天花板上出現。」「(探測器)層將會看到這些軌跡，就像LHC內部的追蹤器一樣。」但這個(探測器陣列)要大得多。

在一個更大的探測區域中，用較少的粒子探測，MATHUSLA可以構建非常詳細的奇異粒子的圖片——只要有外來的粒子在那裡探測就行了。「你就在那兒等著，鳥兒鳴叫，然後，突然間，有一個-「Curtin製造了一個機槍的快速的聲音，或者在這種情況下，也許是從一個膠子上扔出帶電粒子」。由於這種緩慢的速度和更大的空間，MATHUSLA所需要的電子和工程比LHC本身要簡單得多。他和他的同事們設想，這一規模應該僅僅是數十億美元的大型強子對撞機成本的一小部分——大約在5000萬美元左右，MATHUSLA的設計者們希望歐洲核子研究中心(CERN)將為這項法案買單。但他們也對來自非歐洲國家或個別富人的資助抱有希望，(大型強子對撞機)可能已經在製造這些東西了。

博科園-科學科普｜文：Rafi Letzter/Live Science

推薦閱讀：