避之不及？暗物質搜尋新突破，大型強子對撞機即將揭開這個謎團

長期以來，歐洲核子研究中心(CERN)的粒子物理學家們一直對暗物質避之不及，但大型強子對撞機(LHC)的科學家們仍然樂觀地認為，世界上最大的粒子加速器將揭開這個謎團。

暗物質似乎決定了旋轉星系的引力效應，在整個宇宙中佔據著絕大部分。物理學家估計多達85%的宇宙是由神秘物質構成的，而普通物質或重子物質，我們就是由這種物質構成的只佔5%左右。儘管有這樣的確定性，但還沒有人能夠直接觀察到宇宙中的暗物質，對於暗物質是什麼或它是如何工作的，也沒有真正的共識。正因為如此，尋找暗物質是全世界科學家希望解決的最令人興奮和緊迫的宇宙難題之一。

在瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心，大型強子對撞機(LHC)粒子加速器可能是用來探測我們周圍暗物質的工具之一。

LHC運行在法國和瑞士地下328英尺(100米)處，將質子粒子束加速到接近光速，然後在7台令人難以置信的機器上與它們相撞。

大型強子對撞機最著名的實驗是ATLAS和CMS，它們分別在2012年證實了希格斯玻色子的發現。

但大型強子對撞機的另一項實驗，大型強子對撞機之美實驗(LHCb)，正朝著在可想像的最小尺度上解釋宇宙邁出自己的一大步。

與ATLAS和CMS的粒子探測器不同，LHCb關注的是物質粒子和反物質粒子之間的細微差別。

來自曼徹斯特大學粒子物理研究小組的歐洲核子研究中心物理學家馬克·威廉姆斯(Mark Williams)把ATLAS和CMS的工作比作看著一艘船慢慢消失在地平線上。

另一方面，LHCb觀察波浪的運動和船舶航行所引起的細微差別。

這位物理學家說：「這讓我們能夠看到地平線之外的情況，實際上，我們正在生產這些新粒子，它們存活的時間很短，然後會衰變。」

「但這些虛擬反應可以影響我們正在測量的過程的壽命、質量或對稱性。」

那麼暗物質的問題如何與LHCb所做的工作相適應呢？最終發現暗物質是否還有希望呢？

根據威廉姆斯博士的說法，追蹤這種難以捉摸的物質並不像假設存在一種新的粒子那麼容易，而我們還沒有發現這種粒子。

暗物質似乎不與電磁力相互作用，也就是說它不發射或反射光線，因此幾乎不可能被探測到。

相反，科學家所能做的是假設一個更廣泛的粒子物理學理論，該理論包含了相互作用太弱而無法立即顯現的粒子。

例如，這樣一個更廣泛的理論，可能會與被廣泛接受的粒子物理標準模型(標準模型將宇宙的基本組成單元分為費米子(如電子和夸克)、玻色子(如照片和膠子)形成對立。

威廉姆斯博士說：「超對稱性就是一個很好的例子，它通常有一個非常輕的粒子，所有的東西都會衰變，但它不會衰變成其他任何東西，所以它是穩定的，就像電子是穩定的一樣，它只與其他粒子和宇宙中的非超對稱粒子相互作用非常弱。」

這些理論很自然地會給你一個暗物質候選者，如果你能證明這些理論是正確的，那麼你就能開始對它們進行描述，你就能對暗物質候選者有信心。

對於這些非常罕見的過程，這些虛擬量子環中超對稱粒子的存在確實可以改變衰變的普遍程度。」

但是超對稱性只是眾多希望解釋暗物質本質的理論候選者之一。

已故理論物理學家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)提出的一種暗物質理論就是遍布宇宙的原始黑洞的殘餘。

美國天體物理學家保羅?薩特最近提出的另一種理論認為，暗物質可以用軸子來解釋——軸子是一種理論粒子，目前尚未被發現。

無論情況如何，威廉姆斯博士認為，這些理論及其影響必須以某種方式在我們的宇宙中被觀察到，才能得到證實。

他說：「假設一個無法驗證的理論是沒有意義的。我們是科學家，不是哲學家，所以我們必須做出可測試的預測。」

歐洲核子研究中心ATLAS實驗的同事Sarah Williams博士最近接受了採訪。希格斯玻色子的發現可能是暗物質的門戶。

LHCb目前處於靜默狀態，正在進行一系列重要的維修、升級和維護程序。

歐洲核子研究中心的大型強子對撞機以三年的質子加速為周期運行，隨後有兩年的冷卻期，在此期間，數千名工程師進入隧道，對加速器及其7項實驗進行升級和維護。

強子對撞機將於2021年春季投入使用，進行所謂的第三次運行。

但是LHCb之前運行時收集的數據已經導致了今年3月令人難以置信的五夸克的發現。五夸克是20世紀60年代首次提出理論的亞原子粒子。

同月，LHCb實驗觀察到魅力衰減中CP的破壞，CERN信使將這一成就描述為粒子物理學的「里程碑」。

威廉姆斯博士說，當大型強子對撞機在2021年再次啟動時，LHCb將變得更高效、更精確、更適合了解我們的宇宙是如何運作的。

希望這能幫助物理學家深入研究暗物質背後的神秘過程。

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