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主题：探索量子宇宙——粒子对撞机的任务（1） -- 邪恶本质
家园 探索量子宇宙——粒子对撞机的任务（12） 实验室中的暗物质
宇宙中有百分之四是常规物质，百分之二十三是暗物质，剩下的是暗能量。尽管宇宙中的暗物质的数目已经很清楚了，然而它的身份依然是一个谜。
物理学家提出了许多命名古怪的暗物质候选者：中性子（neutralinos），轴子（axions），引力微子（gravitinos），电荷球（Q ball），和弱相互作用重粒子（WIMPzillas）。为简单起见，大部分理论研究都假设所有的暗物质由单独的一种新粒子所构成。但是如果黑暗宇宙也像可见世界这样丰富多彩的话，这个假设以后有可能看上去就和古代的地水火风的理论差不多。
LHC和ILC的主要目标是通过在实验室中制造出暗物质粒子并研究他们的性质，从而鉴别出一个或多个暗物质组分。
天体物理的证据暗示着暗物质粒子将出现在太电子伏尺度，目前对粒子物理和宇宙学的了解让物理学家能够回溯到宇宙历史的早期。假设暗物质粒子是大爆炸留下的弱相互作用遗迹，物理学家能够运用观测到的暗物质密度去估计粒子质量。在许多不同的理论框架下的详细研究表明了暗物质粒子的质量处于太电子伏尺度。
在LHC工作的物理学家很可能找到太电子伏尺度的暗物质的第一个证据。但是它是否真是暗物质？它是否是暗物质的全部？它为什么会在那里？直线对撞机对暗物质粒子和它们与其它粒子的作用进行精确测量。直线对撞机实验能够揭示暗物质故事篇章中的“是什么”和“为什么”。
超对称
爱因斯坦关于一个统一理论的最大障碍是关于极大的规律和极小的规律之间的矛盾。量子力学揭示了一个无规矩的亚原子世界，从虚空中冒出粒子，然后消失。在宇宙的尺度上，我们看到恒星和星系按照不变的引力规律顺利运行。为了协调表观上的矛盾，新的定律必须存在，给量子宇宙带来秩序。弦论的一个预言——超对称—— 可能是关键。
超对称认为，所有的已知粒子都有更重的超对称伙伴，它们是给亚原子世界带来秩序的新粒子。最轻的超对称伙伴是一种暗物质的可能候选者，也许能够解释宇宙的结构。超对称也能够解释希格斯粒子的存在，以及对应多个类希格斯粒子。
一些最重的超对称伙伴也许能够在LHC上大量产生。它们会衰变成最轻的超对称伙伴粒子以及大量的常规粒子，在粒子探测器中留下精彩而复杂的信号。直线对撞机将最适合于产生较轻的超对称粒子。在一段时间内，直线对撞机能够关注某一种类的超对称粒子，非常干净地测量它们的性质，以确定超对称的对称性，以及揭示暗物质的超对称本性。通过这种方式，在直线对撞机工作的物理学家将能够发现超对称是如何塑造内部的工作原理和宇宙的宏伟设计的。
希格斯粒子的宇宙学表亲
希格斯粒子的发现将在粒子物理学中打开一个新的篇章，因为它将是一类新粒子中的第一个。目前发现的所有基本粒子都有自旋，如同一个永恒旋转的陀螺。希格斯粒子将是第一种没有自旋（译者注：自旋为0）的基本粒子。
另外，理论物理学家预言了其它没有自旋的作为宇宙学必要组分的类希格斯粒子的存在。希格斯粒子将是朝向理解无自旋粒子以及它们如何赋予宇宙当前形态的第一步。
为什么宇宙如此广大？理论认为宇宙经历过一个宇宙学暴涨，从它微观尺度的开始变成为目前的巨大尺度。为了引发暴涨，物理学家假设了一种或多种称为暴涨子（inflaton）的类希格斯粒子。
为什么宇宙在加速？宇宙学的观测证实了宇宙的膨胀正在加速。占了宇宙当前70%的暗能量，被认为是宇宙加速膨胀的原因。因为暗能量非常像宇宙学暴涨，许多物理学家相信暗能量很可能包括类希格斯粒子。
为什么会有不带自旋的粒子？一种可能的解释是超对称，它认为自旋的粒子具有不自旋的超对称伙伴。或者，如果有额外的空间维度，在额外维中自旋的粒子可能在我们的维度中不显示出自旋来。一旦科学家发现了希格斯粒子，他们计划去找出希格斯粒子为什么以及怎样存在，从而获得对暴涨机制和暗能量的深刻理解。
家园 探索量子宇宙——粒子对撞机的任务（11） 探索额外维度
弦论的一个预言——对空间额外维度的探索，将戏剧性地改变时空的概念。空间的每一个点都有和它联系在一起的额外维。额外的维度可能非常小或者以其它方式隐藏起来看不见。物质可能由生活在额外维度中的粒子构成并感受到它们的效应。在额外维度中运动的粒子可能具有额外的能量，让它看上去象是一个更重的它。测量这些粒子的质量和其它性质将显示附加的维度看上去是什么样。
如果在太电子伏尺度存在额外维，那么LHC将发现它；实验将寻找那些粒子消失于额外维中的碰撞。直线对撞机实验将能够通过探测对普通粒子的行为的微小扰动而发现更小的额外维度。直线对撞机能够探测维度的数目、它们的尺度和形状，以及有何种粒子在里面。
粒子讲述故事
对牛顿来说，它是苹果。对爱因斯坦来说，它是火车和瑞士时钟。目前，物理学家用粒子去探索微观世界中新的自然规律。新粒子的发现通常是一个全新的揭示宇宙未知的特性的故事的开篇。
当电子的兄弟——正电子首次被探测到时，探索超出了粒子鉴别的范围。正电子揭示了宇宙中隐藏的另一半：反物质世界。正电子表明了如何协调相对论和量子力学。它讲述了一个关于时空结构的崭新故事。
当物理学家首次在比利牛斯山顶的宇宙线探测器中观测到π介子时，他们迷惑了。不久，粒子加速器就制造出了多种π介子的表兄弟：η介子，δ介子，ρ介子、ω介子。物理学家为了给这些粒子命名用完了所有的希腊字母。最后，这个故事变得明朗。这些粒子根本就不是“基本”粒子，而是通过一种新的力所聚集在一起的夸克小口袋。这种力是如此之强，以至于没有夸克能够逃脱出去。
宇宙的其它面貌可能将以新粒子的形式显露出来——例如空间的额外维度。对我们来说，在微小的额外维度中运动的电子看上去不再像个电子；它将显示成为一个更重的新粒子，由于在额外维中回旋而变得更重。实际上，微小的额外维度暗示着一座完整的新重粒子的“塔”。使用加速器产生这些粒子中的一些将是一个重大的发现；一个挑战将是证实它们作为额外维度中运动者的身份。我们从这些粒子中能够学习到多少东西依赖于我们能在多好的程度上测量它们的性质。例如，通过测量它们的质量，物理学家能够发现额外维度的形状。
运用LHC和直线对撞机，物理学家希望在实验室中制造出暗物质。伴随着讲述关于黑暗及可见宇宙的全新故事的新粒子，他们可能很好地探索整个黑暗世界。
家园 粒子对撞机是什么啊？很好吃吗？ 
呵呵，开个玩笑。哪位老大能讲讲粒子对撞机的前世今生啊，一直弄不明白，一直到看终结者3的时候都不明白。
家园 顾名思义，就是让粒子对撞的加速器 粒子对撞机是粒子加速器的一种类型。
形象点说，人们为了研究粒子的微观结构，需要把粒子给“打碎”。为此，需要设计一个“靶”，再用“炮弹”去轰它。这里的靶和炮弹都是微观的粒子，比如质子、电子等等。炮弹的能量越高，可能“看到”的尺度就越小。加速器的作用就是把粒子加速到很高的能量。
在粒子碰撞时，真正有效的能量是质心系的能量。简单的计算就可以发现，在固定靶实验中，大部分能量被浪费了。所以诞生了粒子对撞机，这种加速器中同时加速两束粒子，让它们迎面相撞，这样粒子的动能被全部利用。现在的很多加速器都是对撞机。
不过固定靶的加速器还是有一定作用的，比如想研究质子的内部结构，那么一般就可以用加速的电子去撞击固定的质子——这里的质子一般由氢气或者一些惰性气体提供。
家园 谢谢，受教了，花
家园 上周去波恩出差 回来的路上迷上了玩恶魔城，所以最近更新得比较慢。见谅。
家园 今天纽约时报文章暗示说ILC有可能在中国建造 http://www.nytimes.com/2006/12/05/science/05china.html?em&ex=1165554000&en=3abb1d6f0287eef5&ei=5087%0A
家园 就现在看可能性不大 大家看看国际热核聚变实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，缩写为ITER）从85年开始讨论，05年才有结论，在法国建造。像这种在能源领域有巨大科学意义的项目尚且如此，对于ILC何时能够兴建，恐怕要等LHC的进入运行，并借产生明确的物理结果以后才能确定。
经费大概是ILC最大的问题，预计需要50亿美元以上,相比起来，LHC计划中来自美国政府的全部资助也只有区区3000万美元（当然还有来自美国其它渠道的经费）
即使确定建造，由于政治的原因，很难想象美国会同意支持在中国建造。而且，如果在中国建造，中国作为Host，我猜至少要出10%以上的经费，而中国现在用于所有基础研究为87亿人民币每年，其中粒子物理只占一小部分。
当然，如果中国能够争取到在中国兴建ILC，中国将第一次拥有世界上最好的基础研究基地，对于中国的基础科学发展会起到非常大地推动作用，这就要看国家领导人有没有这个魄力了。
家园 起码我们应该参与吧 即使不建在中国，我们也不应该只是出钱的。英国算不上制造业大国，但前一段参加国际核聚变反应堆项目时，工程杂志也认为这对英国公司算是一个机遇，可以竞争其中某些部件的设计制造。这回的加速器我们应该也在建设合同中分一杯羹吧。
家园 参与是肯定的 科学院的高能所一直是世界上最主要的高能物理研究机构之一，在整个ILC的计划阶段，他们都参加了。
家园 ILC计划是2009年开始修建，2015年开始运行 这个基本上是确定的事情。
另外明年或者后年就要确定建造地点了，说实话，国内缺乏建设这种加速器的能力，高能量的直线对撞机的预研是十多年前就在美国slac，欧洲desy和日本kek各自独立进行的，三个地方都提出了自己的从加速器到探测器的不同方案。后来才成立ILC，并经过讨论决定了采用德国desy的加速器方案，使用超导谐振腔。
基本上现在竞争建造地点的也只有三个——美国好像是fermilab，德国是desy，日本是kek，毕竟这三个地方都有较多的人力从事相关的研究，工程上的技术也比较先进。cern现在专注于搞LHC了，估计会继续研究下下一代的直线加速器——CLIC（Compact Linear Collider），而不会在ILC上投入较多的人力和物力。
我倒是很希望国内能够建造这样一个大型的加速器的，这样不仅仅是在基本粒子物理的前沿领域有了比较有利的地位，而且间接地能促进工业水平的进步，毕竟很多新的技术就是先在实验领域应用以后才过渡到民用的。但是，从国内的相关方面的人才储备和技术水平来看，离这个目标还是太遥远了。
家园 你的信息不准确 ILC的造价将在明年在北京公布，造价从原来的150亿美元压减到了100亿美元。不过如果谁出钱定不下来，建造时间和地点将依旧遥遥无期。总的来讲，短期开始动工的可能性很小。
家园 探索量子宇宙——粒子对撞机的任务（10） 反物质短缺
宇宙中的物质远超过反物质，占据主导地位，这依然是一个谜。希格斯粒子家族也许和这个问题有着很深的联系。
外链图片需谨慎，可能会被源头改物理学家相信，在大爆炸之后的很短时刻内，宇宙热得足以让希格斯粒子无法完成其分配质量的任务。短时间过后，宇宙冷却到能够让希格斯粒子开始工作。在物理学已知的定律中，这个解释提供了几乎全部但非完全足够的要素来产生物质和反物质的不平衡。看上去缺少的东西是物质-反物质不平衡的更强的起源以及一些附加的相互作用，比如希格斯粒子和其它类希格斯粒子的相互作用。
外链图片需谨慎，可能会被源头改LHC通过发现多个希格斯粒子或者揭示其它粒子，如超对称伙伴的存在，将在研究这个主题中迈出第一步。直线对撞机实验则可能探测物质超过反物质占据主导的新的起源。
不只有对撞机
探索量子宇宙将下一代粒子加速器——LHC和ILC的任务描述为探索将从根本上改变人类对宇宙的观念的物理定律。尽管它们的任务非常重要，然而加速器并非科学家为回答这些关于物质、能量、时空的本质的最引人注目的问题所使用的唯一工具。从太空到地面的天文学和宇宙学的观测，同样在探索关于宇宙的基本参数。地下的实验正在观察寻找通过超高灵敏度的探测器的暗物质的微弱信号。
外链图片需谨慎，可能会被源头改没有单独的科学实验能够胜任所有工作。例如来自天文学和宇宙学的观测结果，揭示了宇宙的大部分是由暗物质和暗能量构成。在加速器上的实验才能发现它们到底是什么以及它们如何起作用。
为了回答关于宇宙本质的最具挑战性的问题，所有的努力都必须相洽。来自加速器实验的结果必须符合天文学的观测以及来自地下实验的结果。探索量子宇宙需要将把这些不同的科学实验中的最有力和最剧洞察力的观测结果组合起来，成为一个比它们中任何一个独自能达到的结果强大更多的综合体。
外链图片需谨慎，可能会被源头改图绘黑暗宇宙
在一个陈旧的明尼苏达州铁矿的地下深处，CDMS II实验正在使用高灵敏的探测器来寻找从宇宙中的暗物质粒子流所留下的微弱痕迹。同时，天体物理实验正在寻找宇宙某个地方暗物质粒子湮灭所产生的宇宙线辐射。来自这些暗物质探测实验的信号将洞见暗物质的性质，并强烈的鼓励在LHC和ILC上面探索暗物质。
外链图片需谨慎，可能会被源头改实际上，物理学家已经在暗物质探索实验中报告了可能的信号的暗示。不幸的是，由于两个笼罩其上的未知的存在，对这些实验的解释并不确定。关于暗物质粒子性质的不确定性不能与来自天体物理观测的不确定性——例如星系中的暗物质粒子的空间分布和速度——区分开。
ILC对于解决这些不确定性非常重要，由于它能探测暗物质粒子的精确性质。发现暗物质的比例将能够提供明确的对暗物质分布的探测。就如同传统的望远镜绘制了光亮宇宙的图像，直线对撞机的数据与其它实验和观测的结合将绘制黑暗宇宙的图像，从而指明宇宙的结构。
看见隐形——两个对撞机的故事
在粒子物理学中，发现通常依赖于精确的记录。在高能碰撞中，基本的力在几万亿亿分之一秒内起作用，产生非常不稳定的新粒子，它们几乎立即就衰变成为许多“子女”粒子。计算机对每个碰撞事件做出详细的记录，尽可能完全地确定什么粒子进去了，什么粒子出来了，每个粒子运动有多快以及其方向如何。物理学家然后对碰撞中发生的事重建出最可能的解释。
外链图片需谨慎，可能会被源头改在一些事件中，数目不能合计，记录也不平衡。例如，产生的粒子的总能量可能比原来碰撞时的总能量小，这即所谓的逃脱能量问题。另一个例子是一个新的重粒子在垂直于束流方向上离开，而在反方向上没有东西可以与之平衡，这即所谓的逃脱动量问题。逃脱的能量和动量可能是逃脱的粒子的信号：这些粒子的作用太微弱，以至于无法直接探测，但是带走的能量和动量泄露了它们的存在。
如果在对撞机上产生了暗物质，它们将通过探测器而不留下丝毫痕迹。为了证明它们的短暂存在，物理学家将寻找逃脱能量和动量的印记。通过探测在同一碰撞中产生的其它粒子，物理学家可以推断出暗物质粒子的性质。这和在高能物理碰撞实验中推断中微子的作用所应用的技术是一样的。
外链图片需谨慎，可能会被源头改在LHC 上的质子碰撞，质子的复合粒子性质对于粒子的记录做出了额外的挑战。质子就像一个装有夸克和胶子的小袋子。在一个独立的碰撞中，参与碰撞的夸克或者胶子的身份或者能量都是未知。然而，依然可能观测到逃脱动量，对所有的质子对撞机，在粒子记录上都存在一条基本的鸿沟。
然而，在电子-正电子碰撞中，实验者知道参与碰撞的粒子的身份、能量和动量，这允许简单且完整的粒子记录，并使得直线对撞机成为一个鉴别暗物质的灵敏工具。