人類基礎物理進步都靠它?對撞機到底是什麽?丨三體科學匯20丨AC茂的模

大家好,我是楊過的AC
上一期三體科學會
我說前兩集的劇情還沒有涉及太多科學知識
就收到好幾條私信讓我講講對撞機
這個話題我很早之前講過
不過主要是講的希格斯機制和希格斯玻色子
那麼這期我們換一個角度講
首先科普一個小知識點
丁怡他們在太空做對撞實驗的L1到L5這五個點
就是日地的拉格朗日點
簡單說就是對於任何兩個相互繞行的物體
比如太陽和地球
歐拉和拉格朗日解定義了第三個物體的五個額外軌道
可以用簡單的方程來描述
這些是三體問題存在的唯一完美解析解決方案
在這五個軌道中
任何一個放置一個低質量物體
它將無限期的停留在那裏
這些點就是所謂的拉格朗日點
是非常適合停放航天器或者太空科研設備的位置
這也是人類選擇把五臺太空對撞機建在這五個點的原因
有同學可能會問
實際上太陽和地球確實是相互繞行的
只是繞行的那個中心點在太陽的內部
所以可以近似的看作是地球繞着太陽轉
說回正題
爲什麼對撞機對基礎物理研究如此重要
原因很簡單
因爲這是我們目前唯一可以直接探測氧原子粒子結構的大型設備了
考慮到有沒看過我之前視頻的新朋友
我們再簡單回顧一下希格斯機制
1964年
英國物理學家彼得·希格斯提出了希格斯場的存在
並預言了希格斯玻色子的存在
在希格斯機制中
希格斯場引起自發對稱性破缺
基本粒子與希格斯場偶合而獲得質量
假如希格斯玻色子被證實存在
則希格斯場也應該存在
從而希格斯機制也被證實
這塊粒子物理標準模型的最後一塊拼圖
正是在2012年由CERN的大型槍子對撞機發現的
根據美國物理學家莫里·蓋爾曼的夸克模型
質子內部有三個更基本的粒子
稱爲夸克
希格斯機制產生的夸克質量很小
比如上夸克和下夸克的質量只有幾兆電子伏特
所以含有兩個上夸克和一個下夸克的質子質量
只有大約十幾個兆電子伏特
但是我們知道質子的真實質量大約是938兆電子伏特
那麼除由希格斯機制產生的夸克質量外
質子質量的主要來源是什麼呢
要回答這個問題
就需要先搞清楚質子的內部結構
現在我們知道質子由夸克和膠子構成
膠子像膠水一樣把夸克粘在一起
在極短時間內
膠子可分裂爲一對正反夸克
同樣這些夸克和反夸克也可聚合爲膠子
質子的自旋 質量和其他性質
這些相互作用是由一種被稱爲QCD
也就是量子色動力學的理論描述的
量子色動力學是第一個可以完整描述強相互作用的理論
它是粒子物理標準模型的基本理論的一部分
標準模型描述了宇宙中除引力外的另外三種相互作用力
美國物理學家戴維·格羅斯
弗蘭克·維爾切克和戴維·波利策
因於1973年發現這個理論的一個重要特性
漸進自由而獲得2004年的諾貝爾物理學獎
不過QCD漸進自由的性質
目前僅僅允許我們在高能圍繞區域求解
但還不能對非圍繞區域的QCD直接求解
這一部分就需要用到高能碰撞實驗來驗證了
50年前
物理學家在一個電子和質子碰撞的實驗中首次看到了夸克
這個探測過程被稱爲深度非彈性散射
簡稱DIS
DIS是一種通過高速電子輸流轟擊質子
或原子核來研究其內部結構的技術
根據量子力學裏波長和能量的關係
碰撞過程的能量越高
虛光子的波長越短
探針的尺度也就越小
如果探針比質子本身的尺度還小很多
科學家們就能看到質子內部更小的粒子
也就是可以看到質子內部的結構
第一個DIS實驗最早發生在德國電子同步加速器研究所的
科學家們進行電子和質子對撞實驗
HERA位於德國漢堡
從1992年一直運行到2007年
其實驗結果雖然促進了我們對核子結構的理解
但還沒有解決我們曾經提到過的質子自旋危機
並且由於該裝置沒有重離子輸流
從而也不能研究原子核中的夸克和膠子的行爲
想要徹底搞清楚亞原子尺度的物理問題
我們需要各種華麗的大型對撞機
除了大家耳熟能詳的大型強子對撞機LHC以外
國際高能物理界還有另一個優先級很高的對撞機計劃
ECK也叫電子離子對撞機
目前國際高能物理界已基本形成共識
ECK是研究核子原子核內夸克膠子分佈的最有效裝置
美國和歐洲都正在計劃建造高能電子離子對撞機
2018年發佈的美國電子離子對撞機科學評估報告中
指出了電子離子對撞機在科學上的重要性
核子質量如何產生等重大科學問題
需要一個有高度集化的電子和離子輸流的ECK
這個ECK還要有足夠高的亮度
以及足夠的並且可調的質芯系能量
這樣一個ECK裝置將是世界上獨一無二的裝置
在中國科學家們也提出了建造中國電子離子對撞機的計劃
基於我國2050年大科學裝置發展路線圖的規劃
由中國科學院近代物理研究所最早於2012年主導提出
在強流重離子加速器裝置的基礎上
添加一條新的電子輸流
建成電子輸流和質子重離子輸流均集化的中國電子離子對撞機
也就是ECK-C
不過值得一提的是
美國的ECK和中國的ECK-C並不是競爭關係
而更多的是互補關係
ECK-C能量位於正在運行的美國傑弗遜實驗室裝置
和未來高能ECK之間的空白區
三大裝置的物理目標相互補充
ECK-C主要研究海跨克結構
而美國的ECK集中於膠子物理研究
目前正在運行的傑弗遜實驗室則主要研究架跨克結構
總結一下
對標準模型質量譜的最終分析
是探索未知新物理的必要的先行步驟
而且這套分析同樣也適用於標準模型之外的任何新物理模型
正因如此
一旦這個實驗被質子干擾而無法正常進行
那麼地球的基礎物理學也就自然而然的被鎖死了
那麼如果沒有對撞機的話
人類就完全沒有機會了解基礎物理了嗎
答案是否定的
其實有一個對撞機是質子無法鎖死的
那就是宇宙學對撞機
這一概念最初是由兩位物理學家
尼瑪·阿爾卡尼·哈米德和胡安·馬爾達西納
在2014年的一篇文章中提出的
在之前的視頻中
我曾經科普過目前最成功的宇宙模型
λCDM模型
在這一模型中
宇宙在大爆炸發生的極短時間內
又發生過一次指數級的爆炸
在宇宙爆炸期間
一對對虛的重粒子被時空的量子掌握創造出來
並被宇宙的指數膨脹迅速拉伸到很大的尺度
這些虛的重粒子同樣短壽
它們還沒來得及留存到爆炸結束
就衰變得全無蹤影
不過在它們尚未完全消失前
這些重粒子會與時空本身的量子掌握髮生相互作用
時空本身的量子掌握中
有一種被稱爲曲率擾動的模式
具有很長的壽命
這種曲率擾動被爆炸的宇宙撕扯到很大的尺度後
就被凍結下來
形成了能被觀測到的物質掌握的初始條件
因此
研究者通過測量不同位置原初掌握間的互相關聯
就能間接推遲宇宙在爆炸期間能量極高的條件下
所發生的物理過程
通過這種方式
爆炸的宇宙就能被改造成一臺能量巨大的對撞機
也就是宇宙學對撞機
1979年諾獎得主謝爾頓·格拉肖
曾用烏洛波洛斯來展示人們構造出物理學大統一理論的夢想
宇宙學對撞機則爲這條統一之路開闢了另一個探索的方向
感謝大家的觀看
下期見