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但通过对这些粒子衰变的研究,科学家们发现,其中自然包括暗物质这种宇宙终极谜题

发布时间:2021-03-01 22:27编辑:小狐阅读: 446次 手机阅读

质量是什么?

但通过对这些粒子衰变的研究,科学家们发现,其中自然包括暗物质这种宇宙终极谜题(图1)

刚看到这个问题,你可能会有点懵。在宇宙中,所有的天体都在引力的约束下运行,而引力从本质上来讲又是来自于质量。因此,从这个角度来讲,是质量在统治着宇宙中天体的运行。

然而问题在于:物质为什么会有质量?你可能已经把二者之间的关联想得理所当然,但我们到底有什么理由说物质就必然有质量呢?况且,光子是没有质量的,这又如何解释呢?

1964年,英国科学家彼得·希格斯提出了希格斯场的概念,认为这个分布在宇宙各个角落的场可以激发出一种叫做希格斯玻色子(上帝粒子)的粒子,这种粒子通过与物质的相互作用,使得物质获得了质量。

但通过对这些粒子衰变的研究,科学家们发现,其中自然包括暗物质这种宇宙终极谜题(图2)

和其他一些粒子一样,希格斯玻色子也会衰变。根据现在的物理学标准模型,科学家们知道希格斯玻色子的衰变有许多种可能的结果,通常来说,它会衰变出两个比较轻的粒子,比如光子。除此之外,科学家们还能计算出希格斯玻色子不同衰变模式发生的概率,这种概率被称为分支比。

最近,物理学家们通过位于日内瓦下方的欧洲大型强子对撞机上ATLAS和CMS两大设备,发现了一种罕见的希格斯玻色子衰变模式。在这种衰变过程中,希格斯玻色子会衰变出一个光子和两个轻子。所谓的轻子,也是物理学上的一种基本粒子,围绕在原子核周围的电子就是轻子的一种。

但通过对这些粒子衰变的研究,科学家们发现,其中自然包括暗物质这种宇宙终极谜题(图3)

图片说明:埋藏在地下的欧洲大型强子对撞机是当今世界最强大的粒子对撞机

科学家们发现,在这种衰变模式下,希格斯玻色子会衰变出一个光子和两个电子,或者一个光子和两个电荷相反的μ子(另一种带电的轻子)

科学家们详细地描述了其中的原理:我们知道,希格斯玻色子的寿命不长,会发生衰变。在这次发现的衰变模式中,希格斯玻色子会首先衰变出一个光子和一个被称为离壳光子的一种“虚拟光子”

大型强子对撞机ATLAS实验的粒子物理学家James Beacham向我们介绍:这种所谓的离壳光子质量极小,但不是0,这和完全没有质量的普通光子是不一样的。接下来,这个离壳光子会马上变成其他产物,就比如两个轻子。

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Beacham继续介绍:在大型强子对撞机上,技术人员安装了一种名叫量热计的设备。所谓的量热计,是一种可以阻止来自于粒子碰撞所产生的粒子的设备。当粒子对撞过程中的产物遇到量热计时,它们就会被拦截或者吸收,同时量热计会有提示,从而帮助科学家们对这些粒子进行研究。

实际上,就像我们上面说的,这一次观测到的希格斯玻色子衰变模式,是在标准模型里有所预测的,但这一次研究是科学家们首次发现到这种衰变模式的暗示证据,因此这就显得十分重要了。

所以,如果你足够仔细,会发现本文的用词还是比较谨慎的。比如对这种衰变模式,本次实验是观测而不是发现。还有一点,那就是它是个“暗示证据”而不是直接证据。

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图片说明:观测到这种罕见衰变的原理示意图

Beacham也明确表示:研究团队目前还不太可能直接观察到这种罕见的衰变模式,这是目前的技术限制的。随着未来大型强子对撞机的升级,我们在未来会有这样的机会。

从2008年9月首次运行开始,大型强子对撞机一共经历了两次运行。本次发现于2015年到2018年期间的第二次运行,而第三次运行将在2022年3月开始。目前,它正在经历升级过程,科学家们正在将它打造成为高亮度大型强子对撞机。通过将亮度提高5-10倍,科学家们将有机会直接观察到希格斯玻色子衰变为一个光子和两个轻子的罕见衰变模式。

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ATLAS也自信地宣布:“高亮度大型强子对撞机有望能够获得大量的数据,这也会使得我们对于希格斯玻色子的这种罕见衰变的研究更加寻常。”

虽然标准模型预测了这些衰变的可能,但通过对这些粒子衰变的研究,科学家们能够发现一些超出了标准模型的物理学可能性。

Beacham指出:标准模型的确可以解释了很多宇宙中的物理学机制,但还有一些是它也无法触及的,比如引力和暗物质。

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虽然的广义相对论让我们对引力有了新的认识,但是引力的根源机制仍然有许多的未知需要科学家去破解。另一方面,暗物质也是一种非常神秘的机制,它占据了宇宙总质量的85左右,和可见物质之间仅仅有引力方面的相互作用,其他方面几乎井水不犯河水,因此直到今天我们也很难去探测它,不知道它的本质到底是什么。

因此,多年以来,科学家们一直在尝试寻找超出标准模型的物理学机制,他们称之为从我们这个世界通往暗物质世界的“大门”而希格斯玻色子,就是可能打开这个大门的一把钥匙。如果真的能够破解其中的秘密,那么我们对于这个宇宙的本质将会有更加深刻的了解,其中自然包括暗物质这种宇宙终极谜题。

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在最后,Beacham还指出:目前来说,我们还不能着急去感到兴奋,因为这次研究并没有直接给我们进入到这个大门另一侧世界的信息。它只是给我们指明了一个方向,告诉我们可以去尝试寻找这样罕见的物理现象,并且了可能的方法。但不管怎么说,这一次的研究对于物理学发展和我们对于宇宙的了解,都具有重要的意义。

本文相关词条概念解析:

衰变

放射性元素放射出粒子后变成另一种元素的现象。不稳定的原子核在放射出粒子及能量后可变得较为稳定,这个过程称为衰变(Radioactivedecay)。这些粒子或能量统称辐射(radiation)。由不稳定原子核发射出来的辐射可以是α粒子、β粒子、γ射线或中子。

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