我们能创造出暗物质吗? - 罗尔夫·兰德拉
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0:07 - 0:11宇宙中有 85% 的物质神秘莫测。
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0:11 - 0:15我们不知道它们是什么,
所以我们称它们为“暗物质”。 -
0:15 - 0:16但是我们知道它们的存在,
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0:16 - 0:22因为我们可观测它们作用在
众多星系与天体间的引力。 -
0:22 - 0:25虽然我们还无法直接观测暗物质,
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0:25 - 0:28但是科学家推测,
人类也许可以用世上最强大的 -
0:28 - 0:32粒子对撞机来创造暗物质。
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0:32 - 0:37那就是位于瑞士日内瓦,
长达 27 公里 -
0:37 - 0:39的大型强子对撞机,简称 LHC。
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0:39 - 0:40那么它的工作原理是什么呢?
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0:40 - 0:44在 LHC 里,两个质子向反方向运动,
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0:44 - 0:47并被加速至接近光速。
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0:47 - 0:52在四个撞击点上, 质子束相交,
质子相互碰撞。 -
0:52 - 0:57质子是由更小的夸克和胶子组成的。
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0:57 - 1:01在一般情况下,两个质子穿过彼此
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1:01 - 1:04不会产生重大影响。
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1:04 - 1:06但有一百万分之一的概率,
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1:06 - 1:09两个质子的强烈碰撞,
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1:09 - 1:12会释放出爆炸级的碰撞能量,
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1:12 - 1:14生成上千个新的粒子。
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1:14 - 1:17理论上只有在这种碰撞中才会生成
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1:17 - 1:21像暗物质那样的超大粒子。
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1:21 - 1:24碰撞点的四周都有探测器,
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1:24 - 1:27里面有约 1 亿个感应器,
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1:27 - 1:29就像一个大型的 3D 照相机,
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1:29 - 1:32可以收集那些新粒子的信息,
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1:32 - 1:33包括它们的轨道,
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1:33 - 1:34电荷,
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1:34 - 1:36和能量。
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1:36 - 1:40在处理完这些信息后,
电脑可以形成撞击图像。 -
1:40 - 1:43每条线都是不同粒子的轨迹,
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1:43 - 1:46不同种类的粒子会标为不同的颜色。
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1:46 - 1:49探测仪记录的数据可以
让科学家们判断 -
1:49 - 1:51这些粒子的种类,
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1:51 - 1:54比如是光子还是电子。
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1:54 - 1:58探测器每秒对撞击进行
大约十亿次的拍摄, -
1:58 - 2:02以寻找极其稀有的超大粒子的踪迹。
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2:02 - 2:04更加困难的是,
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2:04 - 2:07我们寻找的粒子很可能极不稳定,
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2:07 - 2:11以至于在到达探测器前
就衰变为常见的粒子。 -
2:12 - 2:14以希格斯玻色子为例,
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2:14 - 2:19这个长期存在于理论上的粒子
直到 2012 年才被观测到。 -
2:19 - 2:25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。 -
2:25 - 2:27并且只存在了短短的一瞬,
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2:27 - 2:29就发了生衰变。
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2:30 - 2:34但科学家们研制出了理论模型
来确定寻找的对象。 -
2:34 - 2:38科学家一开始认为希格斯玻色子
会衰变为两个光子。 -
2:38 - 2:40所以他们起初只检测,
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2:40 - 2:44包含两个光子的高能量事件。
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2:44 - 2:45但有个问题。
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2:45 - 2:48有无数种粒子的相互作用
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2:48 - 2:50可以产生两个随机的光子。
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2:50 - 2:53那么应该如何将希格斯玻色子
与其他物质进行区分? -
2:54 - 2:56答案就是质量。
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2:56 - 3:01探测器收集的数据让科学家
能够退一步思考, -
3:01 - 3:05并检查产生两个光子的物质的质量。
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3:06 - 3:08他们用这些数据制图,
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3:08 - 3:12然后重复产生两个光子的过程。
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3:12 - 3:16大多数情况下只能观察到
随机产生的光子, -
3:16 - 3:20科学家们称之为背景事件。
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3:20 - 3:24但当希格斯玻色子产生并
衰变为两个光子的时候, -
3:24 - 3:27这两个光子的质量通常都是相同的。
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3:27 - 3:30因此,辨识希格斯玻色子
出现的最好迹象, -
3:30 - 3:34就是背景图上的一个小小的隆起。
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3:34 - 3:37这样的隆起需要经过
数亿次的观测方能出现, -
3:37 - 3:40而且也只有当隆起部分
显著的高出背景图时, -
3:40 - 3:44这个结果才有意义。
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3:44 - 3:46在希格斯玻色子的例子中,
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3:46 - 3:50尽管要观测到背景图上的隆起,
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3:50 - 3:53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, -
3:53 - 3:56LHC 的科学家们
还是得出了开创性的结论。 -
3:57 - 3:59那么回到暗物质上来。
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3:59 - 4:02如果 LHC 的质子束有足够的
能量来制造暗物质, -
4:02 - 4:07成功的几率将比希格斯玻色子还小。
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4:07 - 4:11它将需要百万之四次方
的碰撞与理论模型相结合, -
4:11 - 4:13方能初具雏形。
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4:13 - 4:16而那正是 LHC 现在在做的事。
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4:16 - 4:18通过生成堆积如山的数据,
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4:18 - 4:21我们希望能在图像中找到更多的隆起,
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4:21 - 4:25那些便是未知粒子,例如暗物质,
存在的最好证明。 -
4:26 - 4:28也许我们找到的未必是暗物质,
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4:28 - 4:29而是其他的一些
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4:29 - 4:34将会改变我们对整个宇宙
的看法的物质。 -
4:34 - 4:36那也是当前研究的乐趣之一。
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4:36 - 4:38我们并不确定将会找到什么。
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- 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。
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
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- TED-Ed
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