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Tevatron 和 LHC 的里程碑

高能粒子对撞机达到关键里程碑,为粒子物理学的潜在发现奠定基础。阅读更多关于 Tevatron 和 LHC 的信息!

作者:John Conway
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上周,世界上两台大型运行中的高能粒子对撞机都取得了重要的里程碑。在这些机器上,我们以相当晦涩的单位“反向淌”来衡量碰撞次数,它本质上是衡量反向截面积的单位。这就像你闭着眼睛在房间的另一边掷飞镖:飞镖盘越大,你击中的可能性就越大;你投掷的飞镖越多,你击中的次数就越多。

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“淌”这个词起源于核物理的早期,当时费米曾说过一个原子核“像个大仓房那么大”。于是,一个新的物理单位诞生了:一淌等于 10^-28 平方米,大约是一个大原子核的大小。在费米实验室的 Tevatron,经过十多年的运行,我们称之为 Tevatron 的 Run 2,我们刚刚突破了 10.0 反向飞米淌的累积亮度。在欧洲核子研究中心的 LHC,我们刚刚看到累积亮度计数器滚到了 1.000 反向飞米淌。这就像你开了十年的旧车里程数超过了 10 万英里,而你开了才一年的新车里程数超过了 1 万英里。

我们的旧车 Tevatron 在过去十年里带给我们一段精彩的旅程。我将进一步延伸这个比喻,说这就像驾驶穿过大平原。我们一直希望看到高山,但一路走来都是平坦的。尽管我们非常努力地寻找,但在这个令人难以置信的机器上,尽管最近很兴奋,我们却一无所获。目前的计划是,Tevatron 将在今年的 9 月 30 日下午 2 点发生最后一次质子和反质子碰撞。我们将把它“置换”掉了。

对于我们新车 LHC,预计很快就能看到高山,事实上,我们比年初预测的要早得多达到了这个数据量。去年,从三月开始到十一月初结束,LHC 交付了 0.04 反向飞米淌的数据,比我们现在拥有的样本少了 25 倍。但那是第一批有意义的物理数据,一大批渴望数据的学生、博士后、实验室科学家和教授们在整个冬天争分夺秒地分析它,在 LHC 真正开始发力的时候,春天爆发出了海量的论文。 (好吧,也许这个比喻已经有些牵强了。)

那么,我们开始在地平线上看到那些白色的东西是期盼已久的白雪皑皑的山峰,还是仅仅是云朵?我们很快就会知道,这注定是一个值得粒子物理学史册铭记的夏天,就像 1974 年的“十一月革命”一样,那时,粲夸克和陶轻子在斯坦福直线加速器和布鲁克海文国家实验室亮相。

十一月革命后,随着第三代夸克和轻子的确立,标准模型逐渐成型:随后在 1977 年费米实验室发现了底夸克,1979 年汉堡 DESY 发现了胶子,1982 年欧洲核子中心发现了 W 和 Z 玻色子。对顶夸克和希格斯玻色子的搜寻,以及可能存在的更深层的东西,就此展开。

但又花了十三年才找到顶夸克,1995 年,Tevatron 的 CDF 和 D0 实验就做到了这一点。它清晰得如同钟声,而且令人惊讶地巨大,重达近一金原子,约为 175 GeV。通过欧洲核子中心对 W 和 Z 的精确测量,很快就发现希格斯可能就在 Tevatron 的探测范围内,它可能在 LHC 完成之前就发现它。(SSC 于 1993 年在一个与我们现在类似的预算环境下被取消。)

因此,在对两个实验进行重大升级后,Tevatron 的 Run 2 于 2001 年开始。起初很慢,加速器的亮度稳步提高,物理研究也随之进展,对顶夸克和 W 玻色子的测量越来越好,并开始搜寻希格斯和其他许多假想粒子。两年前,Tevatron 实验终于达到了一个水平,CDF 和 D0 的数据结合起来,排除了希格斯玻色子如果其质量是 W 玻色子两倍(160 GeV)的可能性。但没有任何新粒子的迹象。

2010 年 LHC 的数据不足以改进希格斯搜寻的结果。然而,在广泛的其他物理学研究领域,LHC 正在超越 Tevatron。基本上,LHC 应该被视为一个胶子对撞机:一个质子中的一个胶子与另一个质子中的一个胶子发生碰撞,产生胶子在碰撞时产生的一切,也就是任何强相互作用的粒子(即感受强核力的粒子)。即使累积亮度只有 Tevatron 的百分之一,LHC 由于能量更高,能够做的比 Tevatron 多得多。但在 LHC 也是如此,去年,也没有发现新物理学的迹象。

然而,在接下来的几周里,随着海量新数据集的到来,LHC 将在几乎所有类别中超越 Tevatron,除了在低质量希格斯玻色子的搜寻方面,那里确实仍在进行一场竞赛。七月底将有两个大型会议,分别在波士顿和法国格勒诺布尔举行,届时我们可以期待 LHC 实验 CMS 和 ATLAS……或 Tevatron 的任何发现公告。系好安全带!

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