主题：探索量子宇宙——粒子对撞机的任务（1） -- 邪恶本质

[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。

[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。

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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。

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》

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。

T？1000000000000？

[SIZE=3]暗物质之光[/SIZE]

相关问题：

* 什么是暗物质？

* 我们如何在实验室制造它？

Dark, adj. 1a. Lacking or having very little light. b. Lacking brightness.8. Difficult to understand; obscure. 9. Concealed or secret; mysterious.

组成暗物质的粒子有多种候选者。当粒子物理学家意识到某种东西下的理论太复杂时，他们把它叫做“麋鹿”。作图：Michael S. Turner

过去的十年见证了惊人的发现：宇宙中百分之九十五的组分不是由普通物质所构成，而是暗物质和暗能量。天体物理学的观测表明了宇宙只有百分之四是由类似于地球上的物质所组成。百分之七十三是暗能量，百分之二十三是暗物质。

暗能量是一种神秘的充斥于虚空之内的力量，让宇宙的膨胀加速。物理学家不知道暗能量是什么、它如何作用以及它为何存在。他们只知道它最终将获得一个粒子物理学上的解释。暗能量是否和希格斯场相关？超对称的发现将提供可能的联系。超对称为希格斯场和暗能量都提供了自然的解释。

黑暗宇宙的决定性证据来自于许多资料，包括天体物理对星系团的观测——如果可见物质是把它们结合在一起的唯一物质，它们将早已分开。和银河系一样靠近家园的地方，单独的可见物质无法保持恒星在它们的轨道上运动。暗物质让宇宙结合在一起。

什么是约束星系以及保持宇宙不至于分崩离析的暗物质呢？尽管暗物质不是由和世界上其它东西一样的材料组成，物理学家依然有它的身份的一些线索。宇宙学的测量倾向于“冷”暗物质——低速运动的重粒子——作为主要组分。然而，目前来说，宇宙的黑暗面依然是一个迷。

此外，没有理由认为暗物质会比具有多种夸克和轻子的可见物质简单。新的粒子通常不会单独出现。例如，1932年正电子的发现就预示着一个新的反物质粒子的世界。现在，挑战是通过在实验室中制造暗物质粒子来探索暗物质的世界。

如果暗物质是由弱相互作用重粒子（类似于中微子的重型版本）组成，宇宙学的计算表明它们应该具有太电子伏特尺度的质量，在 LHC 和 ILC 的能量范围内。这种在太电子伏特尺度上的结合是否是一个巧合？尽管发展于不同的动机，大部分关于太电子伏特尺度物理的理论都假设了可能对暗物质有贡献的粒子。例如，一种经常被提起的暗物质候选者是最小质量超对称粒子——中性子（neutralino)，理论上处于太电子伏尺度。LHC 和 ILC 具有制造和宇宙中所存在的暗物质同样的暗物质粒子的潜力。

除了加速器实验，其余的实验正在地下深处的高灵敏度探测器中测量独立的暗物质粒子。还有，天体物理实验，正在搜寻空间中暗物质湮灭的宇宙线遗迹。然而，没有加速器实验的帮助，就没有实验能够肯定地识别暗物质。

加速器实验将能够把暗物质粒子放入词条。例如，LHC 可能在粒子碰撞中识别某种暗物质粒子。然后直线对撞机就可以集中去探测其质量和相互作用强度——取得其指纹并且做出明确的鉴定。通过对能量尺度的精细调整，直线对撞机也可以淘出可能隐藏在LHC的多数碰撞中的任何潜在的暗物质候选者。

直线对撞机上的测量将允许计算某种暗物质候选者在宇宙中的密度。与之并列，日益增长的精密的宇宙学观测将测量暗物质的密度到一个对应的精度。对撞机和宇宙学测量的符合将为该候选者真的是一种暗物质提供压倒性的证据。

概述：探索量子宇宙

从发现电子开始，粒子物理学家们成功地冒险深入到原子内部的未知世界中。他们发现了一种从未被期望或者预言——即使是爱因斯坦也没有——的结构和简单性。他们的发现重新定义了人类关于物质世界的概念，把宇宙中最小的单元和最大的、以及宇宙诞生的最早时刻联系了起来。

A 太电子伏尺度之谜

相关问题：

还有未发现的自然规律——新的对称性，新的物理定律吗？

如何解开暗能量之谜？

存在额外的空间维度吗？

反物质发生了什么？

在今后十年里面，CERN的大型强子对撞机(LHC)上的实验将突破进入太电子伏尺度——一个处于目前的粒子加速器极限、物理学家相信他们能够在此找到当代粒子物理学核心问题答案的能量区间。

LHC将把太电子伏尺度暴露在直接的实验研究之下。目前的实验暗示它隐藏了一种全新的物质形态——给予粒子质量的希格斯玻色子。除此之外，物理学家相信太电子尺度将持有这些新奇的现象的证据——暗物质、额外的空间维度，以及基本超对称粒子的完整名单。

第一个目标是希格斯粒子。在过去的几十年，理论的突破和精确的实验导致了粒子物理标准模型的建立，该模型预言宇宙中存在一个无所不在的能量场，接触着宇宙里的一切事物。它就像一种隐形的量子液体，充满了真空，让速度减慢，给予物质质量。没有希格斯场的话，所有的物质都将粉碎，原子将以光速彼此远离。

到目前为止，没人看到过希格斯场。为了探测它，粒子加速器将首先制造出希格斯粒子，然后测量它们的性质。LHC被设计为拥有足够高的能量，以制造出希格斯粒子并且启动探索过程。

为了研究希格斯如何作用，实验必须在没有依据任何理论假设的情况下精确测量希格斯粒子的性质。这些精确的模型无关的实验是直线对撞机物理的特征，在LHC的复杂实验环境下不可能实现。直线对撞机能够检验在LHC上发现的希格斯粒子是否是唯一的希格斯粒子。它是否精确的具有合适性质以赋予基本粒子质量？或者它包含有预示进一步的发现的其它新粒子的混合物？直线对撞机将能够在百分之一的精度水平上干净且精确的测量希格斯粒子的关键性质。

然而，希格斯粒子的发现将引发一个新的令人困惑的问题：根据我们目前的理解，希格斯粒子应该具有超过太电子伏特尺度一万亿倍（a trillion times）的质量。尽管希格斯粒子给予了太电子伏尺度的粒子以质量，但它本身的质量应该大得多。为什么希格斯粒子的质量会落在太电子伏尺度？

多年以来，理论物理学家们试图解开这个谜团，他们想出了包括超对称、额外维和新的粒子相互作用的多种可能性。如果有的话，哪一种理论是正确的？挑选出正确理论是LHC和直线对撞机的任务。LHC有足够的能量去全面研究太电子尺度的图景。然后，直线对撞机能够缩小范围以把理论彼此分开。

例如，超对称和额外维度的理论预言了和希格斯粒子有非常近的亲缘关系的新粒子。其中一些将很难在LHC上探测到或者鉴别出来，也很难将它们同希格斯粒子区分开。直线对撞机的实验则具有让物理学家们鉴别这些粒子并精确找出它们如何与普通物质相互联系的独特能力。

太电子伏尺度可能包含了大部分粒子物理学中最基本问题的答案。宇宙中物质相对反物质的绝对优势依然是一个谜，但是部分答案可能存在于某种未知的相互作用，该相互作用对待物质和反物质稍有不同——也就是说，存在于物理学家称为CP破坏的物质-反物质不对称性的未知源头中。在LHC，很难得到太电子伏尺度物理的CP信息。然而，在直线对撞机上的实验则能够发现并测量物质-反物质不对称性的新起源。

研究太电子伏尺度将让物理学家深入新的科学领域，同时复杂的理论框架将面对实验数据。从理论和实验数据的冲突中，将会诞生一幅关于量子宇宙的深刻改变的图像。

《科学》杂志的125个问题。第一个问题：宇宙由什么构成？

CERN，ATLAS的探测器的安装。

对超弦理论、大爆炸等等的探索，都有可能在TESLA上获得突破性的发现。呵呵，这辈子终有可能看见理论物理的大发展，想想也是幸福的。