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找出逃出LHC的“隐藏区域”粒子

时间: 2017年10月31日 | 作者: Bob Henderson | 来源: Quanta magazine
一些物理学家提出,LHC没能找到的粒子可能是长寿命的,要寻找它们,就要在距离撞击点更远一点的地方。

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马里兰大学的物理学家戴维·柯廷说:“LHC可能已经产生了这些新粒子,只是它们根本就不可见。这种粒子在产生之后经过一段距离会衰变,而这段距离可能是几毫米,也可能是几千米。而这样的粒子,与一些最重要的理论问题的基础有关。

 

这样的假想粒子被称为“长寿命”粒子,因为它们的寿命比那些LHC计划探测的粒子要长得多。如果LHC确实在产出这些粒子,那么很可能有一些粒子逃离了加速器的地下管道,穿过土壤向上射出,随后或许会在附近的农田中像烟花一样爆炸,衰变为普通物质。

 

为了捕捉到这些可能存在的“烟花”绽放时刻,柯廷与他的同事——华盛顿大学的亨利·卢巴蒂和罗格斯大学的约翰·保罗·周一同提议,在LHC附近新建一个像谷仓一样的巨大的探测器。近期,他们将这一提议发表在PhysicsLetter B上。他们还将他们的探测器命名为Mathusla(MAssiveTiming Hodoscope for Ultra Stable neutraLpArticles,超稳定中性粒子大型计时描迹器的缩写)。

 

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戴维·柯廷即将前往多伦多大学任职。他是用LHC发现长寿命粒子的实验的领导者之一,而这个实验已经被建议实行。

 

欧洲核子研究中心理论部的负责人吉恩·朱迪切说,多年以来,我们总是“对研究方向的正确性有一种坚定的信仰,”他说,整个研究领域都在努力寻找一种被超对称理论预言的短寿命粒子。然而这些粒子并没有像预想的那样出现。“我们现在正在寻找新的研究方向和动机,这是正在发生的改变。”

 

不幸的是,长寿命粒子是难以探测的。但好消息是,我们或许能够通过LHC已经发现并持续产出的一种粒子:希格斯玻色子,来找出长寿命粒子。

 

孪生希格斯粒子

 

2012年,希格斯玻色子的发现同时告诉物理学家两件事:一是标准模型预言的最后一种粒子终于被成功发现了,二是标准模型肯定缺失了什么重要的东西。

 

标准模型的问题在于,测得的希格斯玻色子的质量,是量子力学所预言的约十亿亿分之一。从标准模型的理论来看,这样的问题只可能是由构成宇宙的基本物理量之间,极其难以出现的巧合造成的。(我们有这个巧合极其幸运,因为如果没有这样的巧合,原子以及原子构成的物质就不可能存在。)物理学家将这种情况称为“层级问题”,并认为这个问题证明,存在一个比标准模型更加全面基本的理论,而这个更基本的理论可以更“自然”地解释希格斯粒子的质量问题。

 

人们长时间以来都期待超对称理论将来会发展成为那个更全面基本的理论。超对称理论通过为标准模型中的每种粒子匹配一个伴粒子,来解决层级问题。但是因为LHC没有发现超对称粒子,一些物理学家在考虑,或许解决层级问题的答案,是被称作“隐藏区域”的粒子。

 

隐藏区域是一族可以互相作用,但不受标准模型中的三种力(强力,电磁力和弱力)影响的粒子。它们不与普通物质直接作用,这使得他们难以探测。“但是隐藏区域的粒子可以帮助解决层级问题。”来自马里兰大学的物理学家扎卡利亚·查克说。查克在本世纪初就首先提出了这一想法。“简单地说,你可以这样想:根据标准模型,希格斯粒子应该要比我们观测到的重得多,”他说,“是隐藏区域又使希格斯粒子的质量减轻。”

 

查克的模型称作“孪生希格斯粒子”,因为希格斯粒子和其他的标准模型中的粒子一样,在隐藏区域中也存在孪生粒子。也就是说,希格斯粒子能够离开标准模型区域——也就是我们生活的世界,并通过变成它的孪生粒子进入隐藏区域。

 

这种情况真的正在发生吗?LHC中的质子碰撞每小时会产生数百个希格斯玻色子,但撞击产生的粒子持续喷射出来,加速器的探测器探测到很多信息,而希格斯玻色子只占到这些粒子中的一小部分。同时,只有一小部分的希格斯玻色子能被探测到。根据目前的数据,LHC产生的希格斯玻色子中可能高达四分之一都进入了隐藏区域。

 

追寻这样的难以探测的粒子的踪迹希望渺茫,但是2014年的一项发现改变了这种状况,该研究的团队中还包括查克在马里兰的同事拉曼·桑德鲁姆。由于LHC始终没有产生新的发现,桑德鲁姆甚至将当时的状态称作“一定程度的绝望”,他和合作者们重新审视了查克的模型,并意识到这个模型就是能够通过隐藏的粒子重建自然的模型之一。他们同样发现在通常情况下,一些希格斯粒子衰变成的隐藏粒子并不是始终隐藏起来的。这些粒子在几分之一秒的时间内衰变为标准模型中的粒子,而这几分之一秒的寿命对于亚原子标准来说是非常长的。这样的粒子或许能在LHC中LHC附近观测到。

 

“或许很多东西一直都在飞出,只是我们不知道,”俄亥俄州立大学物理学家、CMS的资深成员克里斯托弗·希尔说。(CMS与ATLAS为发现希格斯粒子的两个团队。)为了找出隐藏区域中的粒子,希尔和另一位在ATLAS工作的纽约大学物理学家安迪·哈斯提出了一个不同的建议。这个提议的名字是milliQan,暗指第一位测量电子质量的科学家罗伯特·密立根(RobertMilliken),同时也强调了这个计划要找到的粒子是密立根所测得的粒子电量的千分之一。

 

 “我们将用milliQan来找到另一个入口,”希尔说。通过这个入口,一个普通的光子可以转换为隐藏区域中的“暗”光子。在这种情况下,一个隐藏区域中类似电子的粒子,会在标准模型区域中以一个只有千分之一电子电量的粒子出现。

 

隐藏区域和入口可能听起来像是科幻小说中的东西,但是我们已经知道,自然界中出现过这样的案例了。不论我们对暗物质的理解有多缺乏,暗物质都强有力地证明了,在标准模型之外存在另一个区域。

 

事实上,物理学家已经在利用长寿命粒子和隐藏区域来处理几乎所有正在困扰物理学家的问题,包括像暗物质和宇宙中的正反物质不对称这样的问题。“我们应该开始着手寻找隐藏区域,因为这个想法是如此自然、催人奋进,”普林斯顿高等研究院的物理学家阿尔卡尼-哈米德说。

 

但寻找隐藏区域就意味着,我们必须设法找到难以寻觅的长寿命粒子。

 

谷仓里的烟花

 

“长寿命——你们这些家伙,真是疯了!”柯廷回忆着去年在研讨会上的发言,“你们什么都没法做;你不能使之偏移,不能将它困在势阱中,不能使之散射。它只会消失掉,并且在在任何时间都可能会衰变。而你必须在它衰变的时候正好在它旁边。”

 

柯廷向听众们寻求解决方法。

 

卢巴蒂和周已经分别在ATLAS和CMS寻找长寿命粒子,他们都参加了研讨会。而随后的讨论最终促成了Mathusla。在长达数月的会议、Skype通话和模拟后,三个人提出了一个初步计划:建一个20米高,占地面积超过7个足球场的建筑物。天花板上悬挂五层粒子探测器,使得研究者能够重建广阔空间中的粒子衰变产生的亚原子级别的残骸。这个建筑物将会建设在ATLAS或者CMS探测器上方的地面上,约100米厚的土石会将探测器和下方持续的粒子碰撞的混乱场面隔开,以防长寿命粒子的烟火被淹没。

 

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探测长寿命粒子

LHC中的撞击将会产生物理学家们从未见过的粒子。所谓的长寿命粒子会穿越几十米并衰变为普通粒子,最新提出的探测器,比如这里画出的Mathusla,可以探测到这些衰变。1.质子在地下100米的LHC中碰撞  2.厚石头挡住了几乎所有的普通粒子  3.长寿命粒子向上运动,在像谷仓一样的探测器中衰变,房顶上的粒子探测器探测到这些衰变  4.沿错误的方向穿行而来的太空中的宇宙射线会被过滤掉

 

MilliQan则是一个规模较小的实验,要求更多的技术手段。LHC工程中建设的像山洞一样的管道,是探测器的天然安置场所。MilliQan的挑战在于,作为一个只有电子千分之一电荷量的粒子,长寿命粒子在探测器中激发出的光子只相当于电子激发的光子的百万分之一。于是MilliQan将在三个堆叠起来的管道中设置其探测器,每个管道都有一米长并且朝向质子的撞击点。希尔说,这些长管道应该足够使一个千分之一电子电量的粒子激发出光子,并被三层管道中的每一层吸收,进而产生一个十分清楚,不受背景噪声干扰的粒子信号。

 

尽管两个实验都还没有被CERN批准,在LHC的场地上已经开始建造原型机了。Mathusla是一个2.5米长,5.5米高的盒子,由西藏的一个宇宙射线实验所用的材料建成。MilliQan的原型机也同样是真实仪器的一个缩小版,同样由废弃的零件建成,并且还获准使用了CMS的空地。

 

ATLAS和CMS都雇有几千人并且使用了极其精巧复杂的探测器,每个探测器价格都超过五亿美元,和它们比起来,milliQan和Mathusla的造价要低得多,前者大约会花费一百万美元就能够实现,而后者大约会花几千万美元,并且两者都使用的是曼哈顿计划时期的探测技术。这似乎十分荒谬:他们这些小不点竟能探测到那些大家伙们错过的东西。

 

那么,他们会得到这个机会吗?

 

“科学地说,我认为这些提议不难实现,”就职于CERN的委员会的朱迪切这样表示,他是决定两个项目命运的关键人物。“最终这个问题会根据现实方面的因素,比如花销,空间和所需要的时间来决定。”如果一切顺利,实验会在LHC大规模升级完成后,于2025年左右开始收集数据。

 

这两个提议得益于理论物理的发展。正如阿尔卡尼-哈米德所说的那样,过去40年中,许多“宏大理论”的提出激励人们去寻找新的物理学现象,但是他们目前几乎一无所获。

 

现在,朱迪切说,“我们需要从所有可能的角度来考虑问题。”

 

这真的“非常疯狂,”阿尔卡尼-哈米德补充说,Mathusla和milliQan的潜能十分巨大,有待进一步的开发。“它让我们了解宇宙的浩瀚和我们的无知。”

 

撰文 Bob Henderson

翻译 刘博尧

编辑 王妍琳 吴非

 

原文链接:https://www.quantamagazine.org/how-the-hidden-higgs-could-reveal-our-universes-dark-sector-20170926/


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