欧洲核子研究中心

本文参加 #科学了不起# 系列征文赛。欧洲核子研究中心：有许多国家和组织参与，在这里取得了举世瞩目的成就在20世纪60年代和70年代，基本粒子物理学的标准模型也在进行最后的理论润色。原子内部是亚原子，基本粒子包括电子，两种类型的夸克和胶子。此外，随着时间的推移，大量的其他粒子被发现。一共有六种类型的夸克及其对应的反粒子（反夸克），每一种都有三种颜色(或反色)，三个带电的轻子和三个中性的、低质量的中微子，每个都有自己的反粒子和玻色子：光子(用于电磁力)、八种胶子(用于强核力)、W+、W-和Z(用于弱力)，以及希格斯玻色子。从这个模型开始建立到完全建成，经过了50年的时间。标准模型的高潮是希格斯玻色子的发现：本世纪初，在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机中被发现了玻色子。但在那个时候，还有很多其他的谜团，这些谜团——就其本质而言——需要新粒子的存在来解释我们所观察到的物理现象。它们包括：I.N.D.基金帮助马拉维学生实现了暗物质的梦想，也帮助他们认识到一个事实，即宇宙质量中80-85% 的东西都无法用标准模型中的粒子解释。中微子的质量本应是零，但实际上：它的质量很小(比电子轻数百万倍)，而且非零，因此需要一个新的粒子来解释它们的存在。物质-反物质的不对称性，不能单独用已知的粒子和相互作用来解释，而需要新的物理学——粒子和相互作用——来解释我们的宇宙给了我们什么。一组可能导致物质-反物质不对称的新粒子。有许多不同的情形可以通过新粒子的存在来解释这些现象，但一些更有趣的包括超对称性，额外维度和彩色扩展。为什么这些和其他的一样有趣呢？因为如果它们是正确的，它们应该会产生新的基本粒子，超越LHC可能看到的标准模型的粒子。例如，超对称性预测了至少一种(在大多数模型中是四种)额外的、重的、类似希格斯的粒子的存在——以各种形式存在。发现这样一个粒子的方法是，在所有能量下，计算所有已知粒子对各种衰变途径的预期贡献(两个光子，两个带电荷的轻子，一个W+和W-玻色子，等等)然后进行观察，寻找差异。如果你在正确的地方发现了足够显著的差异，你就会发现一个新的粒子。这就是以前我们如何发现像Z，顶夸克和希格斯这样的粒子的。精密电弱测量的Z共振。注意，z -粒子在能量中以“宽度”出现。去年12月，阿特拉斯合作组织宣布，他们似乎已经看到了一些证据——这还不足以宣称发现，但足以使它看起来不只是谣言——一个新粒子的能量大约是750 GeV，大约是希格斯玻色子质量的5倍。他们说，这与另一个自旋为0的粒子是一致的，这意味着它可能是另一个希格斯粒子。与此同时，CMS合作组织发现了一些非常相似的东西，尽管它与自旋2粒子是一致的。目前，这两个协作项目已经获得了当前可用的完整数据集，并进行了比较(尽管有独立的结果)。通过CMS和ATLAS合作发现的新的信号在750 GeV。 在你兴奋不已之前，请注意以下几点：这可能什么都不是！当然，在750gev的能量范围内有些可疑的事情在发生，但是目前的统计数据非常有限。有一个很好的原因，粒子物理学家不声称发现新粒子，直到达到一定的标准(5σ意义)：历史的垃圾箱里堆满了“发现”，这些发现只不过是数据的波动，随着更多更好的数据出现，它就消失了。这可能就是我们在这里看到的。最美妙的是，我们不必永远等待。今年5月，大型强子对撞机以最高的能量和最高的亮度重新启动，在美国发生了史上最大规模的每秒一次的碰撞，到了仲夏时节，我们就可以知道这到底是一个真正的粒子还是数据的一个浮动。如果这是一个新粒子，我们将得到标准模型之外的第一个直接线索，物理学的新时代也即将到来。但如果它只是一个波动——如果你是一个爱打赌的人，你会很聪明地把赌注押在波动的答案上——对于模型构建者来说，这是一个从头开始的阶段。大自然的秘密可能会比物理学家迄今为止所想象的更加难以捉摸。作者: startswithabangFY: Voyager如有相关内容侵权，请于三十日以内联系作者删除转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处

[PConline 资讯]欧洲核子研究组织（俗称欧洲核子研究中心）CERN近日批准了一项雄心勃勃的计划，那就是建造一个62英里的超级对撞机来扩大人类的物理学知识。欧洲核子研究委员会（CERN Council）于6月19日批准了这项计划，预计费用将至少达到210亿欧元（约合235亿美元）。当然，欧洲核子研究中心最著名的工作是涉及大型强子对撞机。为使超级对撞机成为现实所需进行的额外的、相当实质性的工作打开了大门，欧洲核子研究中心理事会批准了这项计划。然而，一旦这台新机器取得成果，它将帮助物理学家了解希格斯玻色子的性质，它将使电子与其反物质正电子发生碰撞。正如预期的那样，这台最终的超级对撞机将建在欧洲核子研究所日内瓦附近的一个地下隧道中。然而，在这之前，专家们必须设计出新的对撞机并确定设计是否可行。欧洲核子研究中心理事会（CERN Council）详细介绍了一项计划，该计划最终将分两个阶段进行，第一阶段将更为紧迫，并将涉及到正负电子对撞机。然而几十年后，这台对撞机将被一台更大容量的对撞机所取代，该对撞机的容量将达到100万亿电子伏特，这与大型强子对撞机的16万亿电子伏特能力相比是一个巨大的提升。然而，这个项目是一个遥远的梦想，实现这一目标所需的技术目前还没有开发出来。整个过程将是一个漫长的过程，预计在2038年开始建造62英里长的隧道和相关机器。当然，这需要大量的资金，不过这些资金还没有到位。来自成员国的现有资金无法支付这项雄心勃勃的计划的成本，这意味着欧洲核子研究中心可能需要成立一个全球组织，在其他愿意捐款的国家，包括那些在美国和日本等现有的大型物理研究领域做出贡献的国家发挥其作用。与此同时，高亮度大型强子对撞机的建造工作仍在进行中，这基本上只是对现有大型强子对撞机的升级。假设超级对撞机项目可以在未来几十年内进行，这将是人类揭开宇宙新秘密的努力中前所未有的发展。【文章编译来源：Slashgear】【PConline编译作者：七二】

00:43欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）位于日内瓦附近、瑞士和法国交界地区地下１００米深处的环形隧道内，隧道总长约２７公里。记者：杜洋 刘曲编辑：程一恒

欧洲核子研究中心向建设100公里长的环形超级对撞机迈出了重要一步，以推动高能物理学的前沿。未来环形对撞机（FCC）想象图6月19日，欧洲核子研究中心（CERN）理事会一致通过了建设超级对撞机的方案。该项目名为未来环形对撞机（FCC），预计耗资210亿欧元，是CERN继大型强子对撞机（LHC）之后的又一个重大行动。该设计将在瑞士日内瓦附近的地下建造周长100公里的环形设备，尺寸为LHC的4倍，能量达到LHC的7倍。FCC规划图CERN理事会批准的这份方案，称为《欧洲粒子物理战略更新》。它概述了发展的两个阶段。首先，到本世纪中叶，将建设一个正负电子对撞机，通过优化碰撞能量，以最大程度地产生希格斯玻色子，并详细了解其性质。未来环形对撞机（FCC）想象图到本世纪后半段，正负电子对撞机将被拆除，然后被质子-质子对撞机取代。CERN现有的LHC可以执行正负电子和质子-质子之间的对撞，能量能够达到16TeV（目前全球最高），而新的质子-质子对撞机碰撞能量将达到100TeV。它的目标是寻找新的粒子或自然力，并扩展或修正当前的粒子物理学标准模型。未来环形对撞机（FCC）想象图最终机器需要的许多技术尚未开发，这将成为未来几十年研究和开发的主题。但是，在CERN开始建造新机器之前，将不得不寻求正常预算之外的新资金。CERN也希望寻求欧洲以外的国家的支持，比如包括美国、中国和日本。中国科学院高能物理研究所（IHEP）负责人王贻芳院士多年来一直为国产超级对撞机奔走。国产超级对撞机正式名称为中国超大环形正负电子对撞机（CEPC，简称"超大对撞机"）。对于欧洲同事的决定，王贻芳认为是正确的方向。FCC与CEPC策略相似，都是第一期进行正负电子对撞，之后进行更高能量的质子-质子对撞。根据CERN的计划，到2038年才开始真正建设新的100公里正负电子对撞机。在此之前，CERN将继续使用LHC并建造升级版的高光度LHC对撞机。这项计划耗资巨大，很可能挤占其他科学家的研究经费。批评者认为，除了更精确的测量已知粒子（希格斯玻色子）的性质以外，无法保证科学回报。发现希格斯玻色子一些科学家认为如果将该项目所需的庞大资金用于其他类型的大型设施，可能会带来更大的回报。比如说，在月球背面建造一台大型射电望远镜，或者在空间轨道上放置一台引力波探测仪，在科学收益方面都可能比对撞机更加安全。FCC的可能成果完全处于未知领域，有可能一无所获。LHC项目当初有寻找希格斯玻色子的明确目标，并且物理学家有充分的理论支持，然而对于FCC而言，没有类似的、理论的预测。尽管如此，支持者认为，寻找答案的唯一方法是通过实验，而找到答案的唯一地方就是我们还未能够到达的地方。杨王之争CERN理事会通过的这项方案，让我们不得不重新想起杨振宁和王贻芳两位院士对CEPC项目的激烈争论。CEPC计划是中国高能物理学家于2012年提出的，旨在高能物理领域探索和理解希格斯粒子性质、宇宙早期演化、反物质丢失、寻找暗物质、真空稳定性等一系列未解的关键科学问题和寻找新的物理规律。2016年，杨振宁提出了7点反对理由。杨振宁（一）建造大对撞机美国有痛苦的经验：1989年美国开始建造当时世界最大对撞机，预算开始预估为30亿美元，后来数次增加，达到80亿美元，引起众多反对声音，以致1992年国会痛苦地终止了此计划，白费了约30亿美元。这项经验使大家普遍认为造大对撞机是进无底洞。目前世界最大对撞机是CERN的LHC。2012年6000位物理学家用此对撞机发现了希格斯粒子，是粒子物理学的大贡献，验证了“标准模型”。LHC的建造前后用了许多年，建造费加上探测器费等等加起来一共不少于100亿美元。高能所建议的超大对撞机预算不可能少于200亿美元。（二）高能所倡议在中国建造超大对撞机，费用由许多国家分摊。可是其中中国的份额必极可观。今天全世界都惊叹中国GDP已跃居世界第二。可是中国仍然只是一个发展中国家，人均GDP还少于巴西，墨西哥或马来西亚，还有数亿农民与农民工，还有解决的环保问题，教育问题，医药健康问题，等等。建造超大对撞机，费用奇大，对解决这些燃眉问题不利，我认为目前不宜考虑。（三）建造超大对撞机必将大大挤压其他基础科学的经费，包括生命科学，凝聚态物理，天文物理，等等。（四）为什么有不少高能物理学家积极赞成建造超大对撞机呢？原因如下：A.高能物理学是二战后的一个新兴领域，此领域七十年来有了辉煌的成就，验证了“标准模型”，使人类对物质世界中三种基本力量有了深入了解。可是还有两项大问题没有解决：甲）对剩下的第四种基本力量，引力，的深入了解还有基本困难。乙) 还没有能了解如何统一力量与质量。希望解决此二问题当然是所有物理学家的愿望。B.有些高能物理学家希望用超大对撞机发现“超对称粒子”，从而为人类指出解决此二问题的方向。但是找超对称粒子已经有很多年了，完全落空。今天希望用超大对撞机来找到超对称粒子，只是一部分高能物理学家的一个猜想。多数物理学家，包括我在内，认为超对称粒子的存在只是一个猜想，没有任何实验根据，希望用极大对撞机发现此猜想中的粒子更只是猜想加猜想。（五）七十年来高能物理的大成就对人类生活有没有实在好处呢？没有。假如高能所建议的超大对撞机能实现，而且真能成功地将高能物理学更推进一大步，对人类生活有没有实在好处呢？我认为短中期内不会有，三十年，五十年内不会有。而且我知道绝大多数物理学家都同意我的这个说法。（六）中国建立高能所到今天已有三十多年。如何评价这三十多年的成就？今天世界重要高能物理学家中，中国占有率不到百分之一、二。建造超大对撞机，其设计，以及建成后的运转与分析，必将由90%的非中国人来主导。如果能得到诺贝尔奖，获奖者会是中国人吗？（七）不建超大对撞机，高能物理就完全没有前途了吗？不然。我认为至少有两个方向值得探索：A. 寻找新加速器原理。B. 寻找美妙的几何结构，如弦理论所研究的。这两方面的研究都不那么费钱，符合当今世界经济发展的总趋势。随即，王贻芳针对杨振宁的7点理由，也通过媒体发表了逐条的反驳。王贻芳如，杨振宁反对的第1条理由。王贻芳认为：美国建世界最大对撞机（SSC）失败的原因有很多，包括当时的政府赤字、与国际空间站争夺经费、两党政治斗争、德克萨斯与其它地区的区域竞争，还有管理不善、预算错误、造价飙升、国际合作不够等。“预算超支”绝不是SSC失败的主要原因，而是有其特殊及偶然原因，主要是政治因素。“对美国来说，SSC中途下马是一个极为错误的决定，它使美国的高能物理研究失去了发现希格斯粒子的机会，失去了未来发展的基础和机遇，失去了国际领导地位，到现在还没有翻身。这个决定对美国的大科学研究产生了极为负面的影响，并使一代美国人失去了梦想的勇气。当年美国科学界反对SSC的理由跟我们今天在中国听到的有很多相似的地方。事实上SSC的终止并没有让任何科学家获得经费的增加，当然SSC的启动也没有减少任何人的经费，很多当年反对的人后来也后悔了。”王贻芳强调，美国终止建造SSC之后，欧洲建造了LHC，并获得了极大的成功。当然，杨振宁还提到了钱的问题，对于这项可能花费几百亿上千亿人民币的大科学工程，他说：中国GDP虽然已跃居世界第二，但中国仍然只是一个发展中国家，人均GDP还少于巴西、墨西哥或马来西亚，还有数亿农民与农民工，还有解决的环保问题，教育问题，医药健康问题等等。对此，王贻芳当时也提出了自己的看法。他估算了中国的CEPC从2022年建设到2050年左右完工，大约需要1千亿元左右的人民币。2007年10月，中国科学院高能物理所开始建造大亚湾中微子实验工程，并于2012年3月宣布：在世界上发现了中微了第三种振荡模式。王贻芳等科学家还因此而获得2015年美国基础物理学突破奖。王贻芳在江门中微子实验站建设现场中国超大环形正负电子对撞机（CEPC）正是在这样的背景下，中国科学家在2012年又提出了建造CEPC的建议。就在中国CEPC完成《概念设计报告》两个多月后，CERN也公布了FCC的概念设计报告。如果仔细对比两个方案，可以发现，CERN的FCC与中国的CEPC大同小异：都是周长100公里，技术路线都是先搞正负电子对撞然后升级到质子加速。当然，我国的造价约为CERN的一半左右。两个方案的建设时间表也很有意思。CEPC的一期工程计划到2030年完成，二期工程计划2040年完成；而CERN的FCC一期工程计划在2040年前后完成，二期计划在2050年代后期投入使用。前后相差大约都是10年。技术路线大致相同，时间中国比欧洲要早10年左右。因此，王贻芳等科学家认为，对中国高能物理研究来说，建设超大环形对撞机是一次重大机遇。“我们有10年的窗口期，有非常大的把握取得成功，可能改变世界高能物理研究的格局。如果错过这个机遇，我们就只能继续做拾遗补缺的工作了。”对于CERN这个针锋相对的计划，中国科学家反而感到鼓舞，这等于为CEPC方案做了一次“免费的第三方论证”，证明我们的设计方案是正确的。最新进展5月25日，全国人大代表、中科院高能物理研究所所长、中科院院士王贻芳接受新京报记者专访时透露了CEPC最新科研进展：首批关键设备的研制成果已亮相，部分达到了设计指标要求，整体工作按照计划向前推进。针对疫情期间科研项目受到的影响，王贻芳表示，由于财政资金的压减，一些大项目面临设备采购合同无法正常执行、招标延期、项目停工等风险。为此，他建议允许多渠道筹措资金完成国家重大建设项目，并办理财政资金归垫。查看CEPC主页发现，时不时有项目动态发布，可见项目一直在向前推进。CEPC最终能否开工建设，主要看资金能否到位。

拟议中的新对撞机将占据欧洲核子研究中心现有大型强子对撞机(蓝色)附近一个100公里长的环形轨道(红色)。来源：欧洲核子研究中心近日，欧洲核子研究中心(CERN)宣布了一个大胆的计划：建造一个更大的新加速器，这个新型加速器长度几乎是欧洲核子研究中心27公里长的大型强子对撞机(LHC)的4倍(大型强子对撞机目前是世界上最大的强子对撞机)，功率也是LHC的6倍。位于瑞士日内瓦郊外的欧洲粒子物理实验室在1月15日的一份技术报告中概述了这一计划。计划为这个有史以来最强大的粒子加速器：未来环形对撞机(Future Circular Collider, FCC)提供了若干个初步设计，这些初步设计涉及到几个不同类型的对撞机，成本从90亿欧元到210亿欧元不等。这是该实验室在未来两年设定优先级过程中的开标，该过程被称为粒子物理学的欧洲战略更新(European Strategy Update for Particle Physics)，它对该领域的影响会持续到本世纪下半叶。“这是一个巨大的飞跃，就像是在计划一次不是去火星，而是去天王星的旅行一样，”CERN的理论部门负责人吉安·弗朗西斯科·久迪斯(Gian Francesco Giudice)说。自从2012年大型强子对撞机(LHC)历史性地发现了希格斯玻色子(Higgs boson)粒子之后，LHC再也没有发现过新的粒子。Giudice说，这表明我们需要将对撞机的能量推到尽可能高的水平，“今天，通过大胆的项目来探索可能的最高能量，是我们能在最基本的层面上破解自然谜题的最大希望。”特拉维夫大学(Tel Aviv University)负责欧洲战略进程的物理学家哈丽娜阿布拉莫维茨(Halina Abramowicz)表示，FCC这种机器的潜力“非常令人兴奋”。她补充说，FCC的潜力将被深入探讨，并与其他拟议中的项目进行比较。欧洲核子研究委员会(包括来自成员国的科学家和政府代表)将会对是否资助该项目这个问题做出最终决定。太昂贵的?并不是每个人都相信超级对撞机是一项好的投资。德国法兰克福高级研究所的理论物理学家Sabine Hossenfelder说：“没有理由认为这样的对撞机能达到新的能量状态中存在新的物理。这是每个人心中都有但都不想说出来的噩梦。”Hossenfelder说，计划所花费的大笔资金花在其他类型的大型设施或者可能会更好。例如，把一个大型射电望远镜放置在月球背面，或者在月球轨道上放置一个引力波探测器，这些选择就科学回报而论将会是更安全的赌注。但领导FCC报告的欧洲核子研究中心物理学家迈克尔贝内迪克特(Michael Benedikt)表示，无论预期的科学结果如何，这样的设施都值得建设。“这种大规模的努力和项目可以将跨国界、跨国家的研究机构连接起来，构成研究机构网络。所有这些都为推动这些独特的科学项目提供了很好的理由。”尽管Hossenfelder补充说类似的理由也适用于其他大型科学项目。几个选项根据欧洲核子研究中心(CERN)的数据，FCC的这项研究始于2014年，有1300多名参与者参与，研究资金来自欧盟委员会(European Commission)的“地平线2020”(Horizon 2020)研究资助计划。欧洲核子研究中心表示，研究描绘的大多数场景都涉及在现有大型强子对撞机的隧道旁边挖一条100公里长的隧道，挖掘隧道的成本和地面相关基础设施大约会花费50亿欧元。建在这样的隧道中的40亿欧元机器可以粉碎电子和反物质对应物正电子，能量高达365千兆电子伏。这种碰撞将使研究人员能够以比质子对撞机(例如LHC)更高的精度来研究希格斯玻色子(Higgs boson)等已知粒子。这个新的研究项目将在2040年左右才会开始，那时LHC项目(包括计划中的升级版本)将会走到尽头。长期以来，物理学家们一直计划在大型强子对撞机(LHC)之后建造一个国际直线对撞机(ILC)，它也将粉碎电子和正电子。日本科学家早2012年曾经该计划过建造一个，但大型强子对撞机未能发现任何无法预测的现象导致了建造直线对撞机的可能性降低。这是因为ILC只会达到足够研究希格斯粒子的能量，而不会像欧洲核子研究中心计划中的对撞机那样会达到可能发现新粒子存在的更高能量。日本政府将会在3月7日前决定是否建造国际直线对撞机(ILC)。报告中概述到的另一种选择是耗资150亿欧元，规模达100公里的质子对撞机(也称为强子对撞机)，这个质子对撞机建于同一隧道中，能量可能达到1000000亿电子伏特 ，远远高于大型强子对撞机160000亿电子伏特的上限。但更有可能出现的情况会是先制造电子与正电子对撞机，然后在20世纪50年代再制造质子对撞机。不过不管怎样，高能量的机器将会寻找全新的粒子，这些新粒子可能比已知的粒子质量更大，因此需要更多的能量才能产生。强子对撞机只比超导超级对撞机长15%，超导超级对撞机是得克萨斯州的一个项目，在上世纪90年代，虽然当时该项目的隧道已经在建设中，但由于成本问题，该项目还是被放弃了。不过由于技术的进步，特别是在使质子在环上路径弯曲的磁铁方面，它现在将可以以两倍多的能量来粉碎这些粒子。许多研究和开发工作仍有待完成，所以首先制造低能机器可能是有意义的。Giudice说：“如果我们明天就能准备好一条100公里长的隧道，我们就可以马上开始建造一个电子正电子对撞机，因为这项技术基本上已经存在了。但对于100兆电子伏对撞机所需的磁铁，我们还需要更多的研究和开发。”中国的竞争对手北京中国高能物理研究所(IHEP)所长王贻芳表示，他不怀疑该实验室能够完成这样一个项目。他表示：“欧洲核子研究中心有着悠久的成功历史。它拥有技术能力、管理技能以及与政府的良好关系。”王所长在中国也领导着一个类似的项目，他说，令人放心的是，这两项努力在科学目标和技术可行性方面基本上得出了相同的结论。特别是首先进行电子正电子碰撞，然后再进行强子碰撞的做法，这是一种很自然的选择。强子对撞机增加的大部分成本将来自对强大的超导磁体和巨大的氦低温系统需求(以保持对撞机低温)。强子对撞FCC的磁体基于超导合金Nb3Tn的16特斯拉磁体，该强子对撞FCC的功率将会是LHC的两倍，但原则上要求的温度会稍微高一点。而另一方面，中国正在推动更先进、但证明程度更低的铁基超导体发展，这种超导体可能会把温度推得更高。王说：“如果你能在20开氏度下完成这项工作，你就能省下一大笔钱了。”即使粒子物理学家们同意世界需要一台100公里的对撞机，但目前还不清楚这样的对撞机是否需要有两台。无论哪一方先开展这样的项目，另一方的努力都会随即变得白费。但王所长说，这两种对撞机都将会向更广泛的国际社会开放实验，所以从科学角度来说，哪一个最终先建成并不重要。

【能源人都在看，点击右上角加'关注'】斯旺西大学的物理学家作为欧洲核子研究中心ALPHA合作的主要成员，首次展示了激光冷却反氢原子的过程。这一突破性成果产生了比以往更冷的反物质，并实现了一类全新的实验，帮助科学家在未来了解更多关于反物质的知识。在2021年3月31日发表在《自然》杂志上的一篇论文中谈到，当原子从紫外线激光束中散射出光时，被困在磁瓶内的反氢原子的温度就会降低，从而减缓原子的速度，并减少它们在瓶子中占据的空间，这两个方面都是未来更详细研究反物质特性的重要方面。除了表明反氢原子的能量降低外，物理学家还发现冷原子能吸收或发射光的波长范围缩小了，所以光谱线（或色带）因运动减少而变窄。后一种效应特别值得关注，因为它将使光谱的测定更加精确，进而揭示反氢原子的内部结构。 反物质是粒子物理学最成功的量子力学模型中的重要组成部分。近一个世纪前，随着带正电荷的正电子的发现，反物质对应的带负电荷的电子，它在实验室中变得可用。当物质和反物质结合在一起时，就会发生湮灭，这是一种惊人的效应，其中原始粒子消失了。湮灭可以在实验室中观察到，甚至被用于医疗诊断技术，如正电子发射断层扫描（PET）。然而，反物质带来了一个难题，那就是在大爆炸中曾形成了等量的反物质和物质，但这种对称性在今天并没有得到保留，因为反物质似乎在可见的宇宙中几乎不存在。 负责实验运行的斯旺西大学的Niels Madsen教授说。"由于周围没有反氢，我们必须在欧洲核子研究中心的实验室里制造它。现在我们还可以用激光冷却反氢，并进行非常精确的光谱测量，所有这些都在一天之内完成，这是一个了不起的壮举。仅仅在两年前，光是光谱测量就需要十周的时间。我们的目标是研究我们的反氢的特性是否如对称性所预期的那样与普通氢的特性相匹配。无论多么微小的差异，都可以帮助解释围绕反物质的一些深层问题。" 负责参与研究的光谱激光器的埃里克森教授说。"这一壮观的结果将反氢研究提升到了一个新的水平，因为激光冷却带来的精度提高使我们与正常物质的实验展开了竞争。这是一个很高的要求，因为我们与之比较的氢的光谱已经被测量到了十五位数的惊人精度。我们已经在升级我们的实验以迎接挑战！"免责声明：以上内容转载自能源界，所发内容不代表本平台立场。全国能源信息平台联系电话：010-65367702，邮箱：hz@people-energy.com.cn，地址：北京市朝阳区金台西路2号人民日报社

欧洲核子研究中心在2020年第40届国际高能物理会议上，公布首次对光子碰撞产生W玻色子对的观测结果，W玻色子是携带四种基本力之一弱力的基本粒子。这一结果为大型强子对撞机（LHC）的应用提供了一条新途径，即作为高能光子对撞机直接探测电弱相互作用。它证实了弱电理论的主要预测之一，即载流子可以与自己相互作用，并提供了新的方法来探索它。根据经典电动力学定律，两束相交的光束不会相互偏转、吸收或破坏。然而，量子电动力学(QED)的效应，即解释光和物质如何相互作用的理论，光子之间是可以相互作用的。事实上，这并不是大型强子对撞机第一次研究高能光子相互作用。例如，光对光的“散射”，即一对光子通过产生另一对光子相互作用，是量子电动力学最古老的预测之一。早在2017年，ATLAS报道了第一个光散射的直接证据。利用了高能铅-铅碰撞中铅离子周围的强大电磁场，在2019年和2020年，ATLAS通过测量其特性进一步研究了这一过程。这次国际高能物理会议上公布的新结果，对另一种罕见的现象很敏感，在这种现象中，两个光子通过四个载流子的相互作用(其中包括)相互作用，产生了两个电荷相反的W玻色子。来自质子束的准真实光子相互散射，产生一对W玻色子。ATLAS和CMS之前在2016年从大型强子对撞机第一次运行期间记录的数据中：报告了对这一现象的第一次研究，但需要更大的数据集才能明确观察到它。该观测数据具有8.4标准差非常显著的统计证据，对应于由于统计波动而产生的可能性微乎其微。Atlas物理学家使用了在大型强子对撞机(LHC)于2018年结束为期四年的数据收集，第2轮期间采集的一个相当大的数据集，并开发了一种定制的分析方法。由于相互作用过程的性质，中心探测器中唯一可见的粒子轨迹是两个W玻色子，一个电子和一个带相反电荷的子的衰变产物。与光子-光子相互作用相比，碰撞质子中夸克和胶子之间的相互作用也可以直接产生W玻色子对，但这些都伴随着来自强相互作用过程的额外轨迹。这意味着ATLAS的物理学家必须小心地解开碰撞轨迹才能观察到这一罕见现象，ATLAS发言人卡尔·雅各布斯(Karl Jakobs)说：这项观测开辟了大型强子对撞机(LHC)使用初始态光子进行实验探索的新局面，它是独一无二的，因为它只涉及大型强子对撞机(LHC)强相互作用主导环境中弱电作用力载体之间的耦合。随着未来数据集的增加，它可以用来干净地探测弱电规范结构和新物理可能的贡献。事实上，新结果还证实了弱电理论的一个主要预测：即除了与普通物质粒子相互作用外，力载体，也被称为规范玻色子（W玻色子，Z玻色子和光子）也相互作用。光子碰撞将提供一种新的方式来测试标准模型和探索新物理学，这对于更好地理解宇宙是必要的。博科园｜研究/来自：欧洲核子研究中心CERN博科园｜科学、科技、科研、科普

斯旺西大学的物理学家作为欧洲核子研究中心ALPHA合作的主要成员，首次展示了激光冷却反氢原子的过程。这一突破性成果产生了比以往更冷的反物质，并实现了一类全新的实验，帮助科学家在未来了解更多关于反物质的知识。在2021年3月31日发表在《自然》杂志上的一篇论文中谈到，当原子从紫外线激光束中散射出光时，被困在磁瓶内的反氢原子的温度就会降低，从而减缓原子的速度，并减少它们在瓶子中占据的空间，这两个方面都是未来更详细研究反物质特性的重要方面。除了表明反氢原子的能量降低外，物理学家还发现冷原子能吸收或发射光的波长范围缩小了，所以光谱线（或色带）因运动减少而变窄。后一种效应特别值得关注，因为它将使光谱的测定更加精确，进而揭示反氢原子的内部结构。反物质是粒子物理学最成功的量子力学模型中的重要组成部分。近一个世纪前，随着带正电荷的正电子的发现，反物质对应的带负电荷的电子，它在实验室中变得可用。当物质和反物质结合在一起时，就会发生湮灭，这是一种惊人的效应，其中原始粒子消失了。湮灭可以在实验室中观察到，甚至被用于医疗诊断技术，如正电子发射断层扫描（PET）。然而，反物质带来了一个难题，那就是在大爆炸中曾形成了等量的反物质和物质，但这种对称性在今天并没有得到保留，因为反物质似乎在可见的宇宙中几乎不存在。负责实验运行的斯旺西大学的Niels Madsen教授说。"由于周围没有反氢，我们必须在欧洲核子研究中心的实验室里制造它。现在我们还可以用激光冷却反氢，并进行非常精确的光谱测量，所有这些都在一天之内完成，这是一个了不起的壮举。仅仅在两年前，光是光谱测量就需要十周的时间。我们的目标是研究我们的反氢的特性是否如对称性所预期的那样与普通氢的特性相匹配。无论多么微小的差异，都可以帮助解释围绕反物质的一些深层问题。"负责参与研究的光谱激光器的埃里克森教授说。"这一壮观的结果将反氢研究提升到了一个新的水平，因为激光冷却带来的精度提高使我们与正常物质的实验展开了竞争。这是一个很高的要求，因为我们与之比较的氢的光谱已经被测量到了十五位数的惊人精度。我们已经在升级我们的实验以迎接挑战！"

现代物理学对宇宙的运作有了很多了解，从庞大的星系到无限小的夸克和胶子，不一而足。尽管如此，一些重大谜团的答案，如暗物质的性质和引力的起源，仍然遥不可及。加州理工学院物理学家使用位于瑞士日内瓦欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)，这是现有最大、最强大的粒子加速器，以及其紧凑子螺线管(CMS)实验，对非常罕见的事件进行了新观测，这可能有助于使物理学超越目前对世界的理解。这项新的观测涉及同时产生三个W玻色子和Z玻色子，这是一种亚原子“介体粒子”，携带着弱力（已知的四种基本力之一），这是导致放射性现象的原因，也是太阳热核过程的重要组成部分。玻色子是一类粒子，它还包括组成光的光子；被认为负责赋予物质质量的希格斯玻色子；以及将原子核结合在一起的胶子。W玻色子和Z玻色子的相似之处在于它们都携带弱力，但不同之处在于Z玻色子不带电荷。这些玻色子的存在，以及胶子和中微子等其他亚原子粒子的存在，都是由众所周知的粒子物理标准模型来解释。加州理工大学研究生张志才(MS‘18)是由Marvin L.Goldberger物理学教授Harvey Newman和陈尚义物理学教授Maria Spiropuu领导的高能物理研究团队成员，他与其他团队成员一起工作，是这次新观测的主要贡献者之一。产生三重玻色子的事件，发生在大型强子对撞机(LHC)环形路径上的几个点上。01比上帝粒子罕见的三重态当被加速到接近光速的高能量质子束迎头相撞时，就会产生三重玻色子。当两个质子碰撞时，质子中的夸克和胶子被强迫分开，当发生这种情况时，W玻色子和Z玻色子就会突然出现；在非常罕见的情况下，它们会以三重态的形式出现：WWW，WWZ，WZZ和ZZZ。这种W玻色子和Z玻色子的三重态只在10万亿次质子-质子碰撞中产生。这些事件是用CMS记录的，CMS环绕着大型强子对撞机路径上的一个碰撞点。这些事件比用来发现希格斯玻色子（上帝粒子）的事件要罕见50倍。由于大型强子对撞机产生了大量的碰撞，可以看到非常罕见的东西，比如这些玻色子的产生。W玻色子和Z玻色子有可能自我相互作用，允许W玻色子和Z玻色子产生更多的W玻色子和Z玻色子；这些可能会表现为具有两到三个大质量玻色子的事件。尽管如此，这种创造是罕见的，所以产生的玻色子越多，产生频率就越低。两个大质量玻色子的产生，之前已经在大型强子对撞机上进行了高精度的观测和测量，创造这些玻色子并不是实验的具体目标。通过收集足够的数据，包括许多玻色子三重态事件和其他罕见事件，研究人员将能够以越来越高的精度测试标准模型的预测，并最终可能发现并能够研究它之外的新相互作用。通过观察星系的旋转和分布，我们知道一定有暗物质施加其引力性质的力的影响，但暗物质不符合标准模型。它没有容纳暗粒子的空间，也不包括引力，而且它根本不能在大爆炸后最初时刻典型的早期宇宙能量尺度下运作。或许有一个比标准模型更根本，但还有待发现的理论。大型强子对撞机计划于2021~2024年进行的下一次为期三年的试验运行已经在准备中。在那次运行结束时，设备将进行升级，将其数据收集能力提高30倍，目前还有很多未实现的潜力。研究人员已经收集了大量数据，在CMS和大型强子对撞机(LHC)进行重大升级后，预计收集的数据只有几个百分点，高亮度LHC计划从2027年开始运行10年，研究团队也才刚刚开始这个为期30年的物理计划。博科园｜研究/来自：加州理工学院/欧洲核子研究中心博科园｜科学、科技、科研、科普关注【博科园】看更多大美宇宙科学