主题：探索量子宇宙——粒子对撞机的任务（1） -- 邪恶本质

爱因斯坦的望远镜

相关问题：

* 空间是否存在额外维度？

* 所有的力是否能统一？

* 为什么有如此众多种类的粒子？

* 中微子在告诉我们什么？

* 宇宙是如何形成的？

[SIZE=5]1931年，Albert Einstein, Edwin Hubble, 和 Walter Adams (从左到右)在南加利福尼亚San Gabrial山脉的Wilson山天文台的100''望远镜前。1929年，Hubble在这里发现了宇宙的膨胀。[/SIZE]

爱因斯坦在他临终的床上，要了笔和纸，继续他关于统一场论的计算。“我很乐观，”他告诉一个朋友，“我想我快完成了。”

和爱因斯坦一样，当代粒子物理学家的梦想是找到一个描述单独的统一的自然力理论。在爱因斯坦之后的一个世纪，LHC和ILC的结合能力有望通向终极理论的道路。

电子-正电子对撞的精确度将让直线对撞机获得扮演能看到远远超过任何粒子加速器所能直接达到的能量范围的望远镜的潜力。作为一个看向远方的望远镜，直线对撞机将能够探索相当于它自身能到达的能量的一万亿倍的超高能区间，物理学家相信在这里所有的自然力统一成为一种。

直线对撞机作为超高能的望远镜的能力建立于过去几十年中发现的物质的量子性质之上。这个来之不易的理解给了物理学家一种测量发生于超过加速器能够达到的能量内的现象的效应的方法。

尽管就当前来说，由于缺乏关于太电子伏特尺度物理的知识，探索超出该范围的远望图景还不明朗。LHC 和 ILC 的数据将拨开物理学家对太电子伏尺度的无知的乌云，并允许直线对撞机扮演探索未知的望远镜。

在目前对宇宙的认识中，大尺度和小尺度的定律并不相洽。是否有可能让引力（关于大尺度的理论）和量子理论（关于小尺度的理论）统一起来，并由此解决这个当代物理学的中心问题呢？

物理学家相信在大爆炸后只存在一种力。当宇宙冷却，这个单独的力分成了四种目前我们已知的力：引力，电磁力，强核力和弱核力。物理学家已经发现这四种力中的三种可以用高度相似的数学定律和原理来描述。然而，在把引力加入这个系统的最后一步中，想法失败了；一些关键的部分遗漏了。

弦理论是最有希望的统一大尺度和小尺度的规律的候选者。该理论认为所有的粒子和力都是微小的振动着的弦。某种振动将弦变成夸克，另一种振动将其变为光子。弦理论带了一系列令人激动的概念，包括超对称和空间的额外维度。在 LHC 最令人激动的可能性中的一个，是它发现已知粒子的超对称伙伴的非常实在的潜力。

理论家还没法预言额外维度——如果它们存在的话——将在哪个能量上出现。直线对撞机的灵敏度将让其成为一个最好的研究量子引力、额外维度以及弦物理的窗口，这些理论是物理学家愿意在相当长的一段时间里面——也许是永远所拥有的。

物理学家可以用直线对撞机去关注这些点，那里力和质量可能由超对称联系统一成为一个包含了大尺度和小尺度的定律的理论。

物理学首先是实验科学并不错，而对物理理论的说法似乎还是太窄了。 当然这是一个已经存在了很久的问题，来自与高能和粒子物理，也仅仅在这个领域有效。别的不说，造出LHC就远不是高能/粒子物理可以自己解决的问题。

再说下去就是或明或暗争论了几十年的问题了，就此打住。

恕我愚钝，看不出这前后的逻辑关系，理论和高能粒子物理能否造出LHC有什么联系吗？

博士和博士生差别还是很大的。

把本质归结为基本粒子问题而期待通过高能物理解决问题在昨天看来有狭窄的嫌疑，在今天看还可能要加上后觉。

在其他方面物理理论的进展是不能让人满意的，其中有些方面就是建造LHC所必须倚重的。

逻辑如此，争论不必。

物理学的假设、理论、推论等，都要建立在实验的基础上，或者通过实验检验。这个是无关粒子物理或者其它什么方向的物理的。

至于把一切本质归结为基本粒子问题，我没有说过。

按照极端的还原论的看法，所有的物理问题本质上确实可以归结到基本的粒子物理问题。甚至对于凝聚态物理来说，归结到量子电动力学就可以了。但是必须指出，所谓某个问题可以归结到基本的粒子物理，并非意味着只要我们了解了粒子的相互作用规律就可以解决这个问题。人类掌握的数学工具就限制了对多体问题的解决——例如有名的三体的引力系统，其基本的公式是牛顿定律和万有引力定律，但是我们无法解出系统的运动方程。所以原则上所有的问题可以归结到基本粒子物理，但是人类是无法从微观的层次直接推到宏观的层次的。这也是为什么很多的凝聚态的理论都是唯象理论。实际上，借助于现代计算机计算能力的进步，凝聚态物理也有通过第一原理进行推导和计算的理论，并得到了一些不错的结果，这大概算是还原论在某个层次上的表现吧。

其实不仅仅是凝聚态，就是在高能粒子物理内部，都有大量的唯象理论——很多优秀的工作都仅仅是从现象开始描述而非从底层开始构建。尽管粒子世界相对于多姿多彩的自然界来说算是相对简单的部分，但是对于人类来说还是太复杂了。

这个是不容否认的。

比如高频的谐振腔可能需要超导材料和强磁体，探测器可能需要半导体的贡献。

不过建造加速器的目的毕竟是为了研究粒子物理本身，其它的物理多半是为了应用了，至于未完成的其它方面的物理理论用于建造加速器的，我真的不很清楚，不知可否指教一二？

没有在这里争论的必要,我也不准备再展开了,但这个所谓'原则',就是基本粒子物理带来的,也就是前文所言'狭隘'之处.

基本粒子/高能物理理论(可能应该是'理论',大家明白这个意思)先于实验的现象早已有之.(个人以为,俞先生其时所言,至少部分是针这个现象的.)但其他很多方面的物理学进展是相反的状态. 我想我的意思已经足够明白了.(同时,个人不认为基本粒子问题的解决可以解决那些问题.)

这个所谓的'原则'只能说明下一个物理学的'真正'进展,可能不是来自基本粒子物理,而是消灭这个'原则'本身;至少我个人这样希望.

重申,这里的意思并不是否定基本粒子问题研究的重要性,而是说明任何一方面研究的发展进步都是非常重要的,其自身也有足够的存在意义;同时每个领域的进展也有各自的实际的现实的状况,不可一概而论,更不能以一方面的研究,如基本粒子领域来一言以蔽之.

最后两点个人意见:

1.高能/基本粒子目前的研究状态的突破并不是一个LHC可以解决,也不是砍掉一个SSC可以阻碍的.

2.正是因为要重视实验在研究中的巨大作用,才需要更认真的了解建造LHC所面临的挑战,而不仅是'可能需要'一笔带过.并不只是最后那下'CRASH',才是实验.

话题很大,已经说的太散了.抱歉! 网上讨论,闲暇之间,信手写去,意思大家心里明白就可以了.谢谢.

探索规划

这个部分在下面的表格里面列出了九个说明LHC和直线对撞机的发现的方案。对每个事例的研究显示了在下一代的粒子加速器上将如何回答粒子物理的基本问题。

说明：基本问题：

1.还有未发现的自然规律——新的对称性，新的物理定律吗？

2.如何解开暗能量之谜？

3.存在额外的空间维度吗？

4.所有的力能否统一？

5.为什么有如此众多种类的粒子？

6.暗物质是什么？我们如何在实验室制造它？

7.中微子告诉了我们什么？

8.宇宙是如何形成的？

9.反物质发生了什么？

——来自《量子宇宙》

[SIZE=3]大型强子对撞机[/SIZE]

位于CERN——欧洲核子研究组织的大型强子对撞机，当其在2007年开始运行的时候，将是世界上目前建造的最大和最高能的粒子加速器。它运行于一个位于法国境内的朱拉山和瑞士境内的日内瓦湖的周长为27公里的环形隧道内。在LHC上的实验将给科学家提供关于太电子伏尺度能量区间的第一印象。

LHC将加速相向运行的两束粒子，让它们撞击在一起，通过爱因斯坦的有名的公式e=mc2，产生新粒子的喷注。对撞的质子束流每秒钟会产生八亿次碰撞。

超导磁体将引导束流绕环运动，每个在LHC里面飞行的质子将具有7太电子伏的能量，从而质子-质子对撞的能量为14太电子伏。质子包含夸克和胶子，它们分别携带质子总能量的一部分。一个典型的碰撞包括来自每个质子的夸克或者胶子在较低的能量下的碰撞，并伴随着来自质子其余部分的碎片。质子是复合粒子这一性质让探测碰撞的产物变得复杂。

四个主要的粒子探测器——ALICE，ATLAS，CMS和LHCb——将观测碰撞。ATLAS和CMS，每个都有超过2000个合作者，将审视太电子伏尺度的全貌。LHCb将专注于物质-反物质不对称性的精确测量。ALICE，使用LHC的力量在质子之外加速铅离子束，将研究极端能量密度下的物质。

LHC实验每天将记录大约1000GB数据。粒子物理学家正在和世界各地的计算机科学家一起开发新的格点网络技术。这将把世界上成千上万的计算机联系起来，创造出巨大的计算资源，以存储和处理来自LHC的海量数据。

[SIZE=3]

国际直线对撞机[/SIZE]

国际直线对撞机是一个计划中的新加速器，被设计为同LHC协作以探索太电子伏尺度及超越该尺度的物理。ILC 将由两段直线加速器构成，每段超过20公里长并相互对准，将接近光速运行的电子和正电子束流朝彼此投去。

当电子和正电子在圆周中加速时，它们损失能量。加速的能量越高，电子损失的能量就越大。在非常高的能量下，环形的电子加速器不是一个选项——太多的能量被浪费了。解决方案则是直线对撞机。

在ILC 的设计中，几百亿个电子和正电子被压缩进大约三纳米厚的束流中。正电子从对撞机的一端出发，电子来自另一端。当粒子沿着加速器的长度方向被加速时，超导的加速腔提供给它们越来越多的能量，直到它们在碰撞的强烈交火中相遇。ILC 的束流的能量能够调整以对准某个感兴趣的现象。ILC 的束流也能够被极化，这给接下来的数据分析加强了威力。

ILC的全球设计力量（Global Design Effort），聚集了美洲、欧洲和亚洲成百上千位加速器科学家和粒子物理学家的力量，将确定ILC的规划。ILC将作为一个完全的国际化科学项目被设计、投资、管理和运行。

[SIZE=3]与众不同的希格斯粒子[/SIZE]

在LHC 上希格斯粒子的发现将标志着向解决太电子伏尺度的物理的矛盾迈出了一大步。但是希格斯粒子的发现也将提出关于其自身的比发现它更加难以解决的秘密。例如，理论说希格斯粒子是物质粒子，但是在大多数情况下，希格斯粒子表现得更像一种力而不是粒子。这是怎么回事？实际上，希格斯粒子既非粒子也非力，它与众不同。

物理学家猜想多个类希格斯粒子的存在：毕竟，为什么希格斯粒子只是它这类型中唯一的一种？他们预言新的和希格斯粒子相关的粒子在宇宙学中起着重要的作用，给予了宇宙现在的形态。如果存在很多的类希格斯粒子，它们将相互作用。感谢量子理论，当希格斯粒子被产生出来时，它也包含了一点类希格斯亲属的信息。在直线对撞机上的实验将聚集到希格斯粒子上，将其内部的秘密暴露在大庭广众之前。

[SIZE=3]希格斯粒子[/SIZE]

[SIZE=4]新形态物质的发现将重写量子宇宙的故事[/SIZE]

目前的粒子物理标准模型，连同其夸克、轻子和由对称性联系的力，几乎描述了所有在现存的粒子加速器上观察到的现象。它的精度非比寻常，但是仅仅是由于一种尚未验证的假说——希格斯机制——其从字面上理解是把所有的东西联系起来，它才起作用。只有在引入一种至今尚未观测到的、在当前的宇宙演化中凝聚成充满空间的材料、并给予粒子质量的场后，标准模型才有意义。当这种材料在非常高的能量下被激发，它将显示成为粒子——希格斯粒子。仔细测量被希格斯粒子所影响的粒子让科学家能够估计在希格斯粒子会在什么能量下出现。该能量在费米实验室的Tevaton加速器的极限上，而位于大型强子对撞机和国际直线对撞机的范围之内。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。