在希格斯粒子诞生5年后，LHC还发现了什么？
老胡说科学
百家号11-21 22:45
关注
阿特拉斯探测器中的一个候选希格斯粒子。注意，即使有清晰的特征和横向轨迹，也有大量的其他粒子，这是因为质子是复合粒子。
现在距离大型强子对撞机(CMS)和阿特拉斯(ATLAS)的两项主要合作宣布发现一种新的粒子——希格斯玻色子(Higgs boson)——已经有五年多的时间了。它是迄今为止发现的第一个基本标量粒子，第一个自旋为0的粒子，第一个静止能量为126gev的粒子，最后一个从粒子物理学标准模型中预测出的失踪粒子。随着希格斯玻色子的发现，标准模型终于完成了。所有其他粒子和反粒子以前都被直接探测所取代，有了希格斯粒子，我们现在已经发现了我们能预测到的所有粒子。然而，物理学中仍有大量未解之谜。5年后，大型强子对撞机并没有向我们展示未来的新线索。下面是LHC已经发现了什么，还没有发现什么，以及它对下一步意味着什么。
发现：标准模型非常非常好。我们在大型强子对撞机上创造的每一个粒子，它是如何衰变的，它与什么相互作用，以及它的内在特性都指向同一个结论:我们在对撞机里看到的一切都与标准模型完全一致。没有奇异的衰变;没有基本的规则被违反;没有间接证据表明，任何粒子，从希格斯粒子到顶夸克粒子，再到中微子，肯定还有别的东西存在。无论好坏，我们从标准模型中没有看到任何偏差。
早在大型强子对撞机的第一次运行中，ATLAS协作组就发现了约2000 GeV的低玻色子“碰撞”的证据，这暗示着一种新的粒子。不幸的是，随着更多数据的积累，这种信号消失了，被发现仅仅是统计噪声
没有发现：任何额外粒子的证据。这也许是大多数物理学家最大的希望。在100 GeV和~2 TeV之间的新粒子被寄予了厚望，在不同的时间，一些有统计学意义的证据出现了一些候选。不幸的是，随着更多更好的数据的出现，这种暂时的证据消失了，现在，随着Run I和Run II的完成，甚至没有任何关于这种新粒子可能在哪里的好建议。
B介子衰变能直接进入J /Ψ(psi)粒子和Φ(φ)粒子。CDF的科学家们发现了一些B介子出乎意料地衰变为中间的四夸克结构，被鉴定为Y粒子。
发现：奇异粒子的新束缚态。由夸克组成的复合粒子——比如质子(上、上、下)和中子(上、下、下)——的规则是它们必须是无色的：由3夸克，3反夸克，或夸克反夸克组合组成。由于夸克有三种颜色(红、绿、蓝)，而反夸克有三种颜色(青/反红、品红/反绿、黄/反蓝)，所有三种颜色(或反色)加在一起就能得到无色的组合，我们完全相信重子(3夸克)、反重子(3夸克)和介子(夸克/反夸克对)是存在的。但我们也开始发现四夸克(2夸克/2反夸克)和五夸克(4夸克/1反夸克)状态!这是量子色动力学的巨大胜利:强相互作用理论。但是，这些都是来自标准模型的预测，仅此而已。
标准模型粒子及其超对称对应物。确切地说，这些粒子中有50%已经被发现，50%从未显示出它们存在的痕迹。在大型强子对撞机运行I和II之后，SUSY的许多有趣的参数空间都消失了
没有发现：超对称性。额外的维度。直接创造暗物质。这些大理论希望许多人大型强子对撞机,不仅有直接检测在LHC的努力没有成功,但许多(甚至是大部分)的模型,是为了解决一些最大的问题(如层次结构问题)在物理上都被排除了。自然界仍然可能存在超对称粒子、额外维度或基于粒子的暗物质，但这些理论扩展中最有希望的版本未能在大型强子对撞机上出现。当然，它们仍有可能，但甚至没有间接证据表明，进一步的数据将在LHC的能量中揭示它们。
把粒子换成反粒子，同时在镜子里反射反粒子，就代表了CP对称。如果反镜衰变不同于正常衰变，则CP被破坏。
发现：CP-violating衰变。当然，我们以前见过少量的这种粒子，但是大型强子对撞机为我们提供了更多的证据，证明了复合粒子中含有奇怪的、底部的、甚至是迷人的夸克。cp违背是一种衡量粒子与反粒子在某些方面的不同行为的方法。一个有趣的区别是，如果粒子可以通过两种不同的途径衰变，那么它们的反粒子必然会通过它们的反途径衰变，但是它们可以通过一种途径而不是另一种途径而与粒子不同。特别是b夸克中的cp破坏量比我们预期的要大，这对于宇宙中物质/反物质的差异是很重要的。但这说……
早期宇宙充满了物质和反物质，在一片辐射的海洋中。但是当它冷却后全部湮灭时，只剩下一点点物质。这到底是如何发生的呢?这就是所谓的重子发生问题，它是物理学中最大的未解决的问题之一。
没有发现：一个关于重子发生问题的答案。有没有新的物理发生在电弱尺度上?阿弗莱克-丁机制还有希望吗?如果以上任何一个都是正确的，LHC可以揭示这些潜在的线索。缺乏这样的线索告诉我们，物质/反物质不对称的起源可能存在于另一种不同的情况中，如细纤维发生或通过超重玻色子的存在，但仍有很多tev尺度的物理学有待探索。早前有迹象表明，在b夸克领域存在着比我们意识到的更多的cp破坏现象，LHC可能会为这个物理学中尚未解决的大问题提供一些重要的线索。
发现：中性电流守恒。这是对标准模型的巨大预测，它严格限制了许多超出标准模型的扩展。如果你能把一个底部夸克变成一个奇怪的或向下的夸克，一个顶部变成魅力夸克或向上夸克，或者一个tau通过中性玻色子(比如Z0)的交换变成介子或电子，那就是一个改变口味的中性电流的例子。标准模型禁止这些;它们只存在于那些增加了额外粒子和相互作用的理论中，比如大统一理论。到目前为止，所有中性电流仍被证明是守恒的，这是标准模型的巨大胜利。这可能会让一些人感到失望，他们已经投入了大量资金，投入到超越标准模型物理的特定变体上，但更好地理解宇宙对世界各地的物理学家来说都是好消息。
在LHC的磁体内部进行升级，使其运行的能量几乎是第一次运行(2010-2013)的两倍。为了准备运行III，现在正在进行的升级不是增加能量，而是增加亮度，或者每秒碰撞数。
但关于大型强子对撞机，你必须记住的最重要的事情是:即使在我们发现希格斯玻色子5年后，我们仍然只收集了它在其生命周期内将收集的大约2%的数据。如果有不寻常的衰变、额外的粒子、电弱尺度的新物理学、重粒子与新物理学(无菌中微子、暗区、奇异的/未发现的物质)之间的耦合等等，在未来的15-20年里，我们将有50倍的数据来寻找它。最大的担忧可能是，这里有新的有趣的物理现象，但是因为我们只能保存大约0.0001%的碰撞数据，所以我们在不知不觉中把它扔掉了。
欧洲核子研究中心(CERN)的CMS探测器是迄今组装的两种最强大的粒子探测器之一。CMS中的“C”代表“紧凑”，这很搞笑，因为它是有史以来第二大粒子探测器，仅次于欧洲核子研究中心的另一个主要探测器阿特拉斯。
许多物理学家担心大型强子对撞机还没有找到超出标准模型的物理证据，希格斯玻色子本身看起来与这些公认的预测完全一致，这是可以理解的。但这并不奇怪!我们已经知道有超出标准模型的物理存在，而且我们知道要找到它并不容易。正如蒂姆格尔森(Tim Gershon)在欧洲核子研究中心(CERN)信使上所写：
到目前为止，希格斯玻色子看起来确实像太阳粒子物理模型，但还是需要一些视角。从中微子被发现到发现它不是无质量的，因此也不像smp，它花了40多年的时间;解决这个谜题现在是全球粒子物理计划的一个关键组成部分。回到我自己的主要研究领域，美夸克——去年达到40岁生日——是另一个长期存在的粒子的例子，它现在提供了令人兴奋的新现象的提示……一个激动人心的场景是，如果这些与SM的偏差得到证实，新的物理景观可以通过b和希格斯显微镜来探索。
观测到的希格斯粒子衰变通道与标准模型协议，包括来自ATLAS和CMS的最新数据。这项协议令人震惊，但同时也令人沮丧。尽管如此，由于有50倍于我们的数据在前进，即使与标准模型预测的微小偏差也可能改变游戏规则。
我们完全有理由乐观，因为大型强子对撞机将产生大量b介子和b重子，而且希格斯玻色子的数量将超过所有其他粒子源的总和。当然，我们能期待的最大突破是发现一种全新的粒子，以及近几十年来主导粒子物理学的重大理论突破之一的证据:超对称、额外维度、彩色技术或大统一。但即使没有这些，在一个基本的层面上，关于宇宙如何运作还有很多东西需要学习。有很多指标表明，大自然遵循着我们尚未完全发现的规则，这就足以激励我们继续寻找。我们已经有了这台机器，数据很快就会以前所未有的数量出现。任何隐藏在TeV尺度上的新线索很快就会出现。（摘自网络百度）
读者盆友们看得懂吗？这台机器很重要，或许到哪一天，这台机器里轰出个地球来。科学家的目标很清醒，宇宙起源是怎么来的？中国人也没法参与。只能来个理论宇宙学。我们要去批判他们的数据，只能自取其辱。有一点，文章告诉我们，大自然遵循着我们尚未完全发现的规则，确是实话。这个规则就是本质。我们有理由在磁共振运动中获取本质决定论。
网友评论