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守株待兔觅毛皮——漫谈高能物理实验

2016年04月19日 18:18 来源于 财新网
在普通人看来,高能物理研究原子水平以下的微观世界的物质,几乎是深不可测。其实,新的基本粒子和新的物理现象都是有实验基础的
高能物理中常见的对撞机通道。图片来源:Wikipedia

  文 | 吴进远(美国费米国家加速器实验室)

  很多人认为高能物理是一门抽象的学科,看不见摸不着。没错,这也是笔者多年前刚开始读博时的想法。待笔者参加搭建实验的工作了,才发现高能物理其实挺实际的。

  不论是哪个学科做实验,不外乎就是在一定的控制条件下观测自然现象。容易观测的,前人已经玩坏了,剩下都是不容易直接观测到的现象。可实验科学就讲究个眼见为实,没见到还就不能瞎说。别着急,物理学家的一个经验是,如果一种物理现象真实存在,它多半会引起其它的物理现象,这新的物理现象就有可能是可观测的。我们今天要讲的就是如何产生和观察夸克等诸如此类的基本粒子。

  01 基本粒子的故事

  夸克是物质的基本组成部分,一共有6种,组成我们大家的分子里有原子,原子里有原子核,原子核里有质子和中子,每个质子或中子里面有三个夸克,这三个夸克有两种,一种叫上夸克(u)一种叫下夸克(d)。剩下四种在自然界中少得可怜,不像u和d那样一抓一大把,而且都是广东人说的衰仔,不稳定,寿命很短,刚生成出来没多久,就一命呜呼,衰变成别的东西了。这剩下的四种夸克,分别叫strange(s),charm(c),bottom(b),top(t)。这b和t有过一个时期有人叫它们beauty和truth。有个教授上课说:“We will talk a lot about up and down strange beauty, but not much truth",当然这只是一个在高能物理学界口耳相传的笑话,不知道是不是因为这个,b和t改的名。从图1里你可以看到它们的位置。

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图1,基本粒子。图片来源:Wikimedia

  我们现在知道的基本粒子还有电子(e),缪子(μ),陶子(τ)以及它们对应的中微子(νe, νμ, ντ),这六个叫轻子。前几天(2016年4月2日)很多人看了高能所王贻芳所长在中央电视台《开讲啦》节目里的演讲,他谈到构成我们这个宇宙有12种砖头,指的就是这6种夸克和6种轻子。

  此外,图中还有一些玻色子,它们的功能是传递各种作用力,其中我们比较熟悉的一种叫光子(γ),它传递的是电磁作用力。另外,几年前发现的那个希格斯玻色子(H),在图的右上角。

  02 高能物理实验一大撞

  我们知道,有四种夸克在自然界里很不容易见到,所以就得通过粒子碰撞把它们造出来研究,可以说,天下高能物理实验一大撞。怎么撞呢?先把质子或者电子用加速器加到很高的能量,然后用这些高能粒子去打靶,撞击靶子里的夸克,这叫固定靶实验。也可以让两束高能粒子迎头对撞,这叫对撞机实验。这么一撞,夸克呀,希格斯玻色子呀,这些新的物质很有可能就产生出来了。

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图2,固定靶实验和对撞机实验

  这是无中生有吗?不是,这些新的物质并不是凭空产生的,您不是见过爱因斯坦在黑板上写的公式E=mc2吗?这公式的意思是说物质可以变成能量,能量也可以变成物质。这些粒子碰撞前都带了很高的能量,撞了之后,这些能量就变成了新的物质粒子。

  这些新的粒子,夸克呀,希格斯玻色子什么的,我们仍然看不见。不过刚才说了,它们寿命很短,很快就衰变成别的东西了,这些衰变产物向周围四散飞奔,打到周围的探测器,我们就可以看到新粒子了。

  天下高能物理实验,多半都是让粒子之间来那么一大撞,这一大撞,又涉及到另外一大撞,就是撞大运。

  你用粒子去打靶,那靶子看着是铝板一块或者铜板,金板,碳板,塑料板一块,但实际上中间非常空,我们加速了粒子,要去撞原子核,可原子核在物质里隔着很远才有那么一小坨。就像一望无际的草原上,隔着很远才有那么一颗树。粒子飞过靶子就像兔纸跑过草原,绝大多数都会囫囵个儿地跑过去,不会撞树。碰巧有的撞了树,你就可以探测碰撞后的产物,从中分析微观世界里粒子之间的相互作用。所以,高能物理实验,尤其是固定靶实验,可以用一句诗概括:“守株待兔觅毛皮”。

  此时可能会有人说:“我以为高能物理多么高大上呢,敢情就是瞎猫碰上死耗子”。恭喜您,总结得确切。还记得数学里有个概率论吧,那就是专门研究瞎猫碰上死耗子的学问。概率论告诉我们,只要瞎猫数量大,碰上死耗子这样的小概率事件也会时有发生。

  正因为碰撞的概率低,为了提高碰撞事例的发生率,就要用每秒几百万几千万的粒子来打靶,也就是说需要束流有很大的强度。兔子多了,守株待兔才能在有限的时间内觅到足够多的毛皮,也就是数据。这对笔者的直接收益是,在变得太老之前做出了实验结果,写出论文,拿到了博士学位。

  而在对撞机实验里面,不但两个束流的粒子个数要多,还得让它们聚焦在尽量小的横截面积内对撞,也就是说需要束流有尽量高的亮度。

  这就产生一个问题:加速一束粒子已经够麻烦的了,为啥还要自找麻烦,加速两束粒子,还要聚焦成很细的束流,还要把它们调成迎头对撞?这主要是为了使粒子的动能中,能有较大的比例用来生产新的物质。中学学过的动量守恒定律没有还给老师吧?两个动量相同,方向相反的运动粒子,它们两个的总动量是零。当它们相撞结合在一起,其结合体有可能完全静止。就像您和多年未见的有情人相见,两人激动地张开双臂跑到一起相拥,相拥后的结合体是静止的。这样一来,两个粒子的动能就可以充分地用来产生新的物质。反之,如果一个粒子碰撞固定靶中的另一个不动的粒子,它们的总动量不是零,碰撞后,总要有一些粒子继续保持向前飞,占用一部分动能,而可以用来产生新物质的能量就没有那么多了。所以,让质子或者电子对撞还是非常有必要的。

  03 质子对撞机和电子对撞机

  质子和电子对撞,各有什么优缺点?

  首先,我们比较一下这两种加速器的能量。通常质子加速器的能量可以做得比较高,而电子则不容易加速到很高的能量。

  前面说了,两束粒子对撞之后,大部分粒子都囫囵个地飞了过去,没有参与碰撞。所以,大部分加速器都是用一连串的磁铁,让粒子一点儿一点儿地拐弯,最后沿着一个圆周绕回来。这些粒子绕回来后,下一圈还要接着用。什么?粒子为什么会拐弯?还记得洛伦兹力吗?带电粒子在磁场中运动,会受到与运动方向垂直的洛伦兹力,使它拐弯。带电粒子在磁场中拐弯,它速度的大小没有变化,但它的运动方向变了。带电粒子有这么一个特性,只要是经历了加速运动,不论是变快变慢还是方向改变,它周围的电磁场就会变成电磁波。电磁波辐射出去会带走一些能量,使运动粒子的动能减少。这种在同步加速器里见到的电磁波辐射,叫同步辐射。

  同步辐射的强度和粒子质量的4次方成反比。质子的质量大约是电子质量的2000倍,所以在条件相同的情况下,电子加速器产生的同步辐射比质子加速器的要强大约16x1012倍。

  这就是为什么电子加速器的能量很难做得很高。电子在在加速器里转圈,每次经过加速单元时,都会得到一些能量。但每次遇到磁铁拐弯时,它的能量都会损失一点。当每圈增加的能量与损失的能量平衡时,电子的能量就不再继续增加了。

  相反,质子的同步辐射相对比较小,因此可以做出能量较高的加速器。

  既然电子加速器的能量很难做得很高,为什么还要建造电子加速器呢?有两个原因:一是电子比较容易从金属里头弄出来,数量多,因此电子加速器可以把亮度做得比较高。另外,更重要的是正负电子对撞机里的对撞事例比较“干净”。

  “干净”是什么意思呢?其实这是一个对撞产物多还是少的问题。在正负电子对撞机里,一个负电子束流和一个正电子束流对撞。负电子就是普通电子,正电子是负电子的反物质。电子和正电子在我们考虑的能量/动量范围内可以看成是一个点。它们对撞之后,可以把它们的全部能量都变成物质粒子。

  而质子则不一样。质子里面有三个夸克,而且这三个夸克不是老老实实地呆在一起,它们在质子里面还会来回运动。这样一来,当两个质子相碰撞时,很少会出现三个夸克和另外三个夸克同时相撞的情况,而更多的情况下,是不定哪两个处在什么运动状态的夸克相撞。就像一个兔子向前运动的耳朵和另一个兔子向上运动的前腿相撞那样。于是对撞之后可以产生物质的能量会有很多可能,产生的粒子也会五花八门。因此相对来说,质子对撞机里的事例要“脏”得多。

  “脏”这个字还可以换成一个褒义词,叫做“品种丰富”。质子加速器多用于发现新的粒子,因为新粒子没有发现前,谁也不知道它的确切质量,于是可以用质子对撞,从而产生品种丰富的粒子,然后从数据里慢慢寻找以前没有见过的毛皮。

  而在正负电子对撞机里,可以把束流能量调到与想产生的粒子质量一致,这样就可以产生大量的这种粒子,而很少产生别的粒子,从而对这种粒子的性质进行精确测量,深入研究。

  除了这些比较正经的实验,高能物理中还有不少很奇葩的实验,这些实验并不直接发现新粒子,但对于认识微观世界内的物质相互作用很重要。而这一类实验往往是用固定靶的方式来做的,以后可以再介绍。

  前面说的都是用加速器产生的粒子束流来做实验,实际上高能物理实验也有用宇宙射线,或者用核电厂反应堆作为粒子源的,比如咱们高能所在大亚湾取得重要成就的中微子实验,就是用反应堆做中微子源的。这些实验也都是让粒子之间来那么一大撞。

  这些微观世界产生的物理现象,怎么观测,怎么把数据弄到计算机里,怎么把需要的事例从数据堆里挖出来,这里面也有不少学问。大家现在言必称大数据,其实大数据的鼻祖是高能物理学。我们前面说了守株待兔,真正想得到结果,还得觅毛皮,也就是数据的判选与分析。这方面的内容,我们以后再仔细介绍。

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责任编辑:崔筝 | 版面编辑:王丽琨
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