故事
夸克教授
“啊,你来了。我是夸克教授,很高兴认识你。你刚刚看到了万物的开端——而在日内瓦地下一百米,我们要以小规模重现这个开端:就在我的粒子加速器里。”
夸克教授
“五十年来,标准模型几乎解释了一切:夸克、轻子、三种力。只是“几乎”。宇宙中约 85% 的物质是暗物质,没人知道它由什么构成。”
夸克教授
“我确信,答案就藏在还没人达到过的能量里。为此我们需要一个更大的环。之后怕是还得再来一个。”
夸克教授
“原理是这样的:两个粒子束团以接近光速沿相反方向在环里飞驰。它们在探测器里交叉——你就在那里让它们碰撞。运动的能量变成新的粒子:E = mc²。”
夸克教授
“每次碰撞都会产生数据,用来支付升级。你找到的粒子用来支付磁铁和探测器。束流能量越高,能产生的粒子就越重。”
夸克教授
“远大目标:希格斯玻色子。集齐五个,委员会就会批准下一个环。先是 FCC,然后横跨欧洲、环绕地球、环绕月球……一直到日球层。”
夸克教授
“而在那遥远的地方,在一切已知之外,还有一些正式来说根本不存在的粒子在等着。我们会找到它们。一起。”
机制如何运作
夸克教授
“下方是节拍条。圆点随粒子束团的节奏移动——亮区就是它们恰好在探测器里交叉的时刻。”
夸克教授
“在亮区内点按就算命中:拿到全部数据,还有机会发现新粒子。点偏了就错过交叉——束流只撞上真空管里的残余气体:几个字节,仅此而已。”
夸克教授
“命中。但在 1 MeV 下只会产生光子——没有质量的光量子。能量还不够产生物质。”
夸克教授
“电子的质量是 0.511 MeV,而且它从不单独出现,总是和它的反粒子正电子一起产生。合计 1.02 MeV,这就是束流至少需要的能量。按爱因斯坦算一算:E = mc²。”
夸克教授
“还有一点:连续命中多次交叉,就会积累聚焦——每次命中带来更多碰撞。打偏一次或停顿太久,聚焦就没了。”
夸克教授
“一个电子——你的第一份物质,由纯能量造出。它的对应物正电子由保罗·狄拉克预言,1932 年真的被发现了。”
夸克教授
“粒子是这里的第二种货币。数据支付束流,粒子支付机器——比如电子支付亮度。”
夸克教授
“亮度意味着更密的束团,也就有更多碰撞——即使你不动手,每级每秒 0.2 次。你亲手命中依然更好:优秀及以上的粒子,机会都是三倍。”
夸克教授
“现在你去拿咖啡时,机器也照样运转。该定下一个目标了:140 MeV 的 π 介子。”
夸克教授
“π 介子是最轻的强子——一个夸克和一个反夸克,由强力束缚在一起。汤川秀树在 1935 年预言了它,作为原子核的“胶水”。”
夸克教授
“π 介子。紧接着是 μ 子——电子的重表亲,质量是它的 207 倍。”
夸克教授
“用这两种粒子支付磁场。更强的二极磁铁能让更高能的束流留在轨道上——每一级让每次碰撞的数据 ×1.3。”
夸克教授
“探测器像洋葱一样构造:一层套一层,每一层看到不同的粒子。”
夸克教授
“最里面是顶点探测器,捕捉短寿命的重粒子;然后是径迹探测器,测带电粒子。量能器测量能量,最外层是 μ 子室——只有 μ 子能走那么远。”
夸克教授
“某一层每升一级,它对应的粒子家族就多出现 12%。先从径迹探测器开始:头几级只要几个 π 介子,你能在事例显示里第一次看到真正的径迹。”
夸克教授
“已经攒下不少了。粒子分六个等级:普通、优秀、稀有、史诗、传说——还有神话,那是各个环的大目标。每个更大的环都会带来新的假想粒子。”
夸克教授
“图鉴告诉你每种粒子是什么、是怎么被发现的——以及你还缺什么。”
夸克教授
“到了 125 GeV 就要动真格了:希格斯玻色子。彼得·希格斯在 1964 年预言了它,2012 年它被发现——就在 CERN 这里。”
夸克教授
“在真实的 LHC 上,每十亿次碰撞才出现一个。我们这里快一些,但它依然稀有。量能器会帮忙:它能看到衰变成两个光子的过程。”
夸克教授
“咱们私下说:如果一个束团发出彩色的光,它就带着稀有的东西。要命中那次交叉——否则它就没了。”
夸克教授
“现在变得优雅起来了:每种粒子都以自己的频率振荡,E = hν。在升级菜单里,把束流的波精确地推到 J/ψ 的波上——它会成批产生。它 1974 年的发现至今被称为“十一月革命”。”
夸克教授
“测得很干净。好的事例会被发表,分四个等级:会议报告、论文、封面文章、诺贝尔奖——每种粒子的每个等级都有一个栏位。事例能到哪一级,取决于它最弱的那项测量;更好的探测器和升级能把它拉高。图鉴里能看到哪些已经发表。”
夸克教授
“你记录的每个事例都会用七个数值来测量:质量、分辨率、显著性、√s、堆积、稀有度和触发。你可以在测量记录里看到它们。”
夸克教授
“每个数值都会与同一游戏阶段的可比事例相比。“优于60%”表示优于100个可比事例中的60个。”
夸克教授
“七个数值中最弱的一个决定等级:60% 起为会议报告,80% 起为论文,90% 起为封面文章,99.2% 起为诺贝尔奖。有一个数值偏弱,就会拖住整个事例。”
夸克教授
“灰色栏位还是空的;一旦有事例足够好,它们就会自动填满。为此要升级探测器、分辨率和触发,并保持较低的堆积——点按某个数值,就能看到哪项升级有帮助。”