我们能创造出暗物质吗？ - 罗尔夫·兰德拉

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组成我们所处世界 85% 的物质是暗物质。我们不知道暗物质是由什么构成的，也无法直接观察暗物质。但科学家的理论指出，我们也许能够在世界上最强烈的粒子冲撞——高能粒子对撞过程中生成暗物质。那么原理为何呢？CERN 科学家罗尔夫·兰德拉（Rolf Landua）为我们解释了一个崭新粒子的创造过程。

课程讲授：罗尔夫·兰德拉，动画制作：拉齐·齐尔夫。

宇宙中有 85% 的物质神秘莫测。

我们不知道它们是什么，
所以我们称它们为“暗物质”。

但是我们知道它们的存在，

因为我们可观测它们作用在
众多星系与天体间的引力。

虽然我们还无法直接观测暗物质，

但是科学家推测，
人类也许可以用世上最强大的

粒子对撞机来创造暗物质。

那就是位于瑞士日内瓦，
长达 27 公里

的大型强子对撞机，简称 LHC。

那么它的工作原理是什么呢？

在 LHC 里，两个质子向反方向运动，

并被加速至接近光速。

在四个撞击点上， 质子束相交，
质子相互碰撞。

质子是由更小的夸克和胶子组成的。

在一般情况下，两个质子穿过彼此

不会产生重大影响。

但有一百万分之一的概率，

两个质子的强烈碰撞，

会释放出爆炸级的碰撞能量，

生成上千个新的粒子。

理论上只有在这种碰撞中才会生成

像暗物质那样的超大粒子。

碰撞点的四周都有探测器，

里面有约 1 亿个感应器，

就像一个大型的 3D 照相机，

可以收集那些新粒子的信息，

包括它们的轨道，

电荷，

和能量。

在处理完这些信息后，
电脑可以形成撞击图像。

每条线都是不同粒子的轨迹，

不同种类的粒子会标为不同的颜色。

探测仪记录的数据可以
让科学家们判断

这些粒子的种类，

比如是光子还是电子。

探测器每秒对撞击进行
大约十亿次的拍摄，

以寻找极其稀有的超大粒子的踪迹。

更加困难的是，

我们寻找的粒子很可能极不稳定，

以至于在到达探测器前
就衰变为常见的粒子。

以希格斯玻色子为例，

这个长期存在于理论上的粒子
直到 2012 年才被观测到。

在一次特定碰撞中产生希格斯玻色子
的几率仅为百亿分之一。

并且只存在了短短的一瞬，

就发了生衰变。

但科学家们研制出了理论模型
来确定寻找的对象。

科学家一开始认为希格斯玻色子
会衰变为两个光子。

所以他们起初只检测，

包含两个光子的高能量事件。

但有个问题。

有无数种粒子的相互作用

可以产生两个随机的光子。

那么应该如何将希格斯玻色子
与其他物质进行区分？

答案就是质量。

探测器收集的数据让科学家
能够退一步思考，

并检查产生两个光子的物质的质量。

他们用这些数据制图，

然后重复产生两个光子的过程。

大多数情况下只能观察到
随机产生的光子，

科学家们称之为背景事件。

但当希格斯玻色子产生并
衰变为两个光子的时候，

这两个光子的质量通常都是相同的。

因此，辨识希格斯玻色子
出现的最好迹象，

就是背景图上的一个小小的隆起。

这样的隆起需要经过
数亿次的观测方能出现，

而且也只有当隆起部分
显著的高出背景图时，

这个结果才有意义。

在希格斯玻色子的例子中，

尽管要观测到背景图上的隆起，

只有区区三百万分之一的几率，
可能仅仅是统计学上的巧合，

LHC 的科学家们
还是得出了开创性的结论。

那么回到暗物质上来。

如果 LHC 的质子束有足够的
能量来制造暗物质，

成功的几率将比希格斯玻色子还小。

它将需要百万之四次方
的碰撞与理论模型相结合，

方能初具雏形。

而那正是 LHC 现在在做的事。

通过生成堆积如山的数据，

我们希望能在图像中找到更多的隆起，

那些便是未知粒子，例如暗物质，
存在的最好证明。

也许我们找到的未必是暗物质，

而是其他的一些

将会改变我们对整个宇宙
的看法的物质。

那也是当前研究的乐趣之一。

我们并不确定将会找到什么。