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漫谈高能物理实验

时间:2016-04-25 15:33来源:http://bjqyjz.cn 作者:北京企业建筑有限公司 点击:
很多人认为高能物理是一门抽象的学科,看不见摸不着。没错,这也是笔者多年前刚开始读博时的想法。待笔者参加搭建实验的工作了,才发现高能物理其实挺实际的。 不论是哪个学科做实验,不外乎就是在一定的控制条件下观测自然现象。容易观测的,前人已经玩坏了
很多人认为高能物理是一门抽象的学科,看不见摸不着。没错,这也是笔者多年前刚开始读博时的想法。待笔者参加搭建实验的工作了,才发现高能物理其实挺实际的。
 
  不论是哪个学科做实验,不外乎就是在一定的控制条件下观测自然现象。容易观测的,前人已经玩坏了,剩下都是不容易直接观测到的现象。可实验科学就讲究个眼见为实,没见到还就不能瞎说。别着急,物理学家的一个经验是,如果一种物理现象真实存在,它多半会引起其它的物理现象,这新的物理现象就有可能是可观测的。我们今天要讲的就是如何产生和观察夸克等诸如此类的基本粒子。
 
  01 基本粒子的故事
 
  夸克是物质的基本组成部分,一共有6种,组成我们大家的分子里有原子,原子里有原子核,原子核里有质子和中子,每个质子或中子里面有三个夸克,这三个夸克有两种,一种叫上夸克(u)一种叫下夸克(d)。剩下四种在自然界中少得可怜,不像u和d那样一抓一大把,而且都是广东人说的衰仔,不稳定,寿命很短,刚生成出来没多久,就一命呜呼,衰变成别的东西了。这剩下的四种夸克,分别叫strange(s),charm(c),bottom(b),top(t)。这b和t有过一个时期有人叫它们beauty和truth。有个教授上课说:“We will talk a lot about up and down strange beauty, but not much truth",当然这只是一个在高能物理学界口耳相传的笑话,不知道是不是因为这个,b和t改的名。从图1里你可以看到它们的位置。
 
 
图1,基本粒子。图片来源:Wikimedia 
 
  我们现在知道的基本粒子还有电子(e),缪子(μ),陶子(τ)以及它们对应的中微子(νe, νμ, ντ),这六个叫轻子。前几天(2016年4月2日)很多人看了高能所王贻芳所长在中央电视台《开讲啦》节目里的演讲,他谈到构成我们这个宇宙有12种砖头,指的就是这6种夸克和6种轻子。
 
  此外,图中还有一些玻色子,它们的功能是传递各种作用力,其中我们比较熟悉的一种叫光子(γ),它传递的是电磁作用力。另外,几年前发现的那个希格斯玻色子(H),在图的右上角。
 
  02 高能物理实验一大撞
 
  我们知道,有四种夸克在自然界里很不容易见到,所以就得通过粒子碰撞把它们造出来研究,可以说,天下高能物理实验一大撞。怎么撞呢?先把质子或者电子用加速器加到很高的能量,然后用这些高能粒子去打靶,撞击靶子里的夸克,这叫固定靶实验。也可以让两束高能粒子迎头对撞,这叫对撞机实验。这么一撞,夸克呀,希格斯玻色子呀,这些新的物质很有可能就产生出来了。