对撞机的实际用处 电子对撞机有什么用
2021年3月，欧洲核研究中心(CERN)宣布，其大型强子对撞机(LHC)发现了四种全新的粒子，它们是四种不同的四夸克态 。
到目前为止，LHC总共发现了59个新的强子，包括新发现的四夸克态和许多其他粒子 。那么，科学家如何确定自己发现了“新粒子”呢？
宣布新发现并不容易 。
20世纪70年代，科学家创造了粒子物理的标准模型，该模型清楚地给出了组成世界的基本粒子的信息，包括它们的种类、质量、电荷、自旋及其相互作用 。模型就像一个酒店套房的“手册”，里面清晰详细地说明了每一件物品的名称、种类、数量和位置，让客人可以非常舒适地住在里面 。
【对撞机的实际用处 电子对撞机有什么用】在过去的半个世纪里，科学家在实验中发现的所有粒子都可以在标准模型中被识别出来，它们的性质与《手册》中的预测基本一致 。
“科学家通过实验验证和拓展了理论框架 。核心任务之一是发现标准模型预测到但尚未发现的、超出理论解释范围的新现象和新粒子 。”中国科学技术大学现代物理系特聘教授吴玉生告诉采访人员，这种新发现在科学研究中对于一步步揭开物质世界的基本规律非常重要 。
这一点可以从上个世纪以来基础科学的诸多突破得到证明:从1905年光子被光电效应证实，到2012年希格斯粒子被发现，所有标准模型理论预言的基本粒子都被发现 。对标准模型预测的基本粒子的研究，也使人类在探索宇宙起源和物质本质方面越走越远:预测反物质的存在、发现中微子质量不为零、观测黑洞甚至探测引力波等 。“每一个新的发现，都像是把一块石头扔进了一个安静而深邃的水池，激起了涟漪，推动了一系列新科学新技术的诞生 。”吴玉生说 。
“在粒子物理实验中，新现象的发现是否具有结论性，一般用统计学中的显著性来表征 。显著性表示为高斯分布标准差的倍数，即σ(适马)的数倍 。”吴玉生告诉采访人员，倍数越大，越可信 。“如果显著性为5σ，则认为这一新发现是确凿的，造假的概率甚至不到百万分之一，而3σ显著性的实验结果更为可靠，对应的假或假的概率只有千分之一 。”吴玉生说 。
吴玉生告诉采访人员，5σ和3σ分别对应“发现新现象”和“发现新现象迹象”的科学结论，是科学家宣布新发现的重要依据 。对于根本性的重大发现，科学界极其严谨，不仅要求实验发现的统计显著性达到5σ，还要经得起时间的考验 。\"此外，还需要其他独立的实验来反复验证结果.\"吴玉生说 。
对标准模型的检查从未停止过 。
“自从标准模型诞生以来，人们从未停止过对标准模型的测试 。”吴玉生说，要探索微观世界的奥秘，就必须有可靠的实验手段来观察各种物理现象 。这些实验手段需要能够生成微粒并进行反应，并对反应结果进行记录和分析，以便与理论预测进行比较 。“不同方案、不同条件下的大量精密实验，可以全方位检验标准模型，有可能发现模型内外罕见的新现象 。”他说 。
粒子物理学轻子家族中最著名的粒子是电子，它是物质的关键组成部分 。但是电子不是轻子家族的唯一成员 。它有两个较重的兄弟姐妹，子木和τ轻子，合称为三轻子味或“味” 。按照粒子物理的标准模型，这兄弟姐妹之间唯一的区别应该是质量:μ子比电子重200倍左右，而τ轻子比μ子重17倍左右 。
根据标准模型，每种味道都可能与W玻色子有相同的相互作用 。“轻子的味道也叫‘代’ 。在标准模型中，电子、μ子和τ轻子属于三个不同的世代 。人类每一代之间可能存在‘代沟’，但在标准模型中，不同代对应的轻子虽然重量不同，也就是质量不同，但它们都必须以相同的外观参与微观世界的各种聚会，也就是基本粒子的反应过程，这就是轻子味道普遍性的预测 。”吴玉生说 。
“这是一个奇妙的预测 。许多物理学家希望找到违背这种普遍性的新现象，探索超越标准模型理论的可能性 。”吴玉生说，媒体最近报道的LHCb的一项实验工作，重点是测试标准模型的一个基本预测，即可能违反轻子普遍性的迹象 。“这个实验的结果引起了很多人的关注，但意义远远不足以宣称有新的发现，这需要时间的检验，以及以后其他实验的验证 。”
“轻子风味的普遍性已经在不同的过程和能量范围内得到了高精度的探索 。虽然轻子味普遍性原理通过了最新的测试和检验，但大型强子对撞机的实验仍在进行，直到发现的许多异常现象都被清晰地探测到 。”吴玉生说 。
加速器与对撞机联手寻找答案 。
你依靠什么来发现新的基本粒子？答案是通过加速器和对撞机 。
“简单来说，加速器就是带电粒子通过电场增加能量，通过带能量的带电粒子进行科学研究，比如射击或碰撞 。比如我们家的电视机就是最简单的直线加速器 。”吴玉生说，电子被电视机加速后会获得一定的能量，能量单位叫做电子伏特 。电场用来加速带电粒子，也就是给它们提供能量，增加它们的速度 。
加速器大致可以分为两类:一类叫直线加速器，一类叫环形加速器 。直线加速器的意思是粒子走直线，环形加速器的意思是粒子在磁场中一个个运行 。
“有了加速器，你可以用它进行科学研究，用带电粒子撞击原子核或发生碰撞 。”吴玉生说，粒子与人眼碰撞是不可见的，因此需要使用探测器，这相当于代替人眼来查看碰撞后产生的粒子的种类、数量和特征 。
对撞机也分为两类:一类是直线对撞机，粒子相向运动，在碰撞点发生碰撞 。另一种是圆形对撞机，电子和正电子反向运动，一圈一圈加速，然后发生碰撞 。
“加速器不仅是一门物理科学，更是一门技术和工程，这是粒子加速器的一个非常重要的特点 。”吴玉生说 。
20世纪60年代，世界上第一台正电子对撞机在意大利建成 。后来，在日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)，建造了世界上最大的正电子对撞机LEP 。之后，科学家们拆除了LEP，并在其隧道内建造了世界上最大的质子对撞机LHC 。
“因为我们要探索的物质最深层的尺寸越来越小，而且要探测的物质层次越深，要看到的东西就越小，‘光’的波长就越小，能量就越大 。因此，对撞机的高能量是必然的需求 。”吴玉生说，LHC是世界上最大的质子对撞机，也是能量最高的粒子加速器 。深埋于100米深、全长27公里的隧道内(含圆形隧道) 。
“LHC是巨大的，它可以将粒子加速到接近光速，这是强磁场使粒子绕着加速环运行的结果 。它的磁场强度很强，所以如果放在地面上，周围不允许有其他设施和人员大范围存在 。”吴玉生说，LHC被深埋地下是为了消除其他干扰，获得更纯净的实验环境 。
“大型强子对撞机的能量状态可以和BIGBANG之后不久的状态相比较 。科学家利用质子碰撞后的产物来探索物理现象，比如寻找标准模型预测的希格斯粒子，探索超对称性和额外维度等标准模型之外的新物理 。”吴玉生说 。
事实上，在建设LHC的过程中，科学家们获得了许多科学研究成果来改善我们的生活 。例如，互联网最初是由欧洲核子研究中心的科学家发明的，以解决数据传输问题 。癌症治疗、销毁核废料和帮助科学家研究气候变化等其他成就也受益于大型强子对撞机 。
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