如何在大型強子對撞機中抓住新粒子的「尾巴」？

理論物理學家提出了一種在大型強子對撞機的實驗數據中尋找新粒子的全新方法。

供圖：歐洲核子研究中心（CERN）；版權信息：CC BY-SA 3.0

作者：Yuen Yiu；來源：AIP InsideScience

來自義大利與美國的粒子物理學家們提出了一種全新方法，來分析從大型強子對撞機（Large Hadron Collider，縮寫為LHC）中獲得的實驗數據，這有助於未來發現新粒子。這台位於瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機是世界上體積最大、能量最高的粒子加速器。通過將彼此靠近並行的質子加速到接近於光速，可以產生一種新粒子——著名的希格斯玻色子（Higgs boson）。

E = mc2

愛因斯坦發現的著名公式E = mc2，表明質量與能量其實就像一枚硬幣的兩面，是物質的兩種密不可分的屬性。也正因為質量與能量之間的這種等價關係，大型強子對撞機所製造出的粒子質量，不可能高於與加速質子時泵入的能量相當的質量。

當大型強子對撞機運行至可以產生希格斯玻色子時，其中的每束粒子流能量都高達3.5萬億電子伏特，即3.5TeV。這意味著，對撞機中長達16英里的加速隧道上，每個質子都被加速到了核爆炸時平均每個鈾原子所能釋放的能量的17000倍以上。相比於這個能量（所對應的質量），希格斯玻色子的質量其實非常輕——僅有1.25千億電子伏特，這比該對撞機理論上可能產生的最大粒子的質量要小得多，使得產生希格斯玻色子相對容易。

即便如此，在這台大型強子對撞機足足運轉兩年之後，科學家們才最終積累了足夠多的數據，確保他們發現的是希格斯玻色子——如果你想獲得諾貝爾獎的話，就必須得確保數據中的信息是真實的，而不是系統雜訊。

「原則上，大型強子對撞機可以產生比加速能量小的各種粒子。但問題在於，其產生粒子的幾率非常低」，倫敦大學瑪麗皇后學院的粒子物理學家埃拉姆·里茲維（Eram Rizvi）說到。他沒有參與這項研究。

即使兩束質子——每束的質子數都多達數百億個——每秒鐘相互飛過彼此（對撞）達1萬次以上，質子間可能發生碰撞的幾率依然非常低，每秒中僅有幾億次。而在這億萬次的碰撞之中，可以產生像希格斯玻色子這樣質量的粒子的概率，僅為10億分之一左右。

如果連確認希格斯玻色子都要兩年的話，那發現更重的新粒子就更難了。要想做到這一點，有一個方法是對大型強子對撞機進行升級，——在2013到2015年之間，他們提高了LHC的加速能力，現在其每束粒子流的能量可達6.5TeV（1TeV=萬億電子伏）。還有一個補充手段，那就是找到新的分析現有數據的方法，在看似不可能的數據中找到新粒子的蛛絲馬跡。

你不需要直接探測到那些粒子

一般情況下，希格斯玻色子會使大型強子對撞機的數據中出現一個明顯的「隆起」。不過，新的研究表明，我們並不總是要看到這種「隆起」才能確定發現新粒子，通過探尋一種稱作「量子干涉（quantum interference）」的微妙效應，同樣可以檢測到新粒子的出現。

「本質上說，這是一套用來表徵粒子本身是否存在的全新方法，即便粒子的質量遠大於大型強子對撞機的生產能力」，紐約大學的粒子物理學家喬希·魯德爾曼（Josh Ruderman）說道，他是這項發表於《物理評論快報（Physical Review Letters）》的研究的作者之一。

「我們不必再去尋找一次戲劇性的巨大碰撞，而是去觀察數據形狀所發生的細微變化」，他說。

相比於直接探測新粒子，魯德爾曼與同事們認為，科學家可以通過新粒子對其他質量較低的粒子產生的影響，來探尋其存在的證據。如果將直接探測到新粒子比喻為在茫茫人海中直接找到一個偉人，那麼新方法就相當於探尋民眾受偉人影響所產生的變化，來發現他的存在。即便他的穿著毫不起眼，或是站在你的視野之外，這一方法依然有效。

里茲維認為，這種新方法對於探測質量在1~5TeV範圍內的新粒子均有效。而對於質量低於1TeV的粒子，可以通過直接檢測的方法發現；對於質量大於5TeV的粒子，則可以通過已有的幾種理論模型，或者說，通過一種被稱為「量子擾動（quantum perturbation）」的現象，直接顯現出來，里茲維說。

那麼，在通過大型強子對撞機發現所謂的「上帝粒子」（即希格斯玻色子）——儘管許多物理學家很討厭這個昵稱——之後，還有什麼有待發現的新粒子呢？

「人們對於可能存在的新粒子的性質有很多預測」，魯德爾曼說。例如，新的粒子可能有助於解釋暗物質的存在，他表示。「但是，目前這還是一場結果難定的探險遊戲。」

https://www.insidescience.org/news/catching-new-particle-its-tail

美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄獨家供稿

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