打破物理学:对宇宙缺失碎片的激进探索

诸平

Fig. 1 Physicists are delving into the mysteries beyond the Standard Model at the Large Hadron Collider, seeking to understand dark matter and energy. Their research, pivotal in particle physics, holds potential for significant technological innovations. Credit: SciTechDaily.com

Fig. 2 University of Minnesota Assistant Professor Nadja Strobbe studies high-energy particle physics using data from the Large Hadon Collider, the world’s largest particle accelerator. Credit: Nadja Strobbe, University of Minnesota

Fig. 3 The Compact Muon Solenoid (CMS) is a general-purpose detector at the Large Hadron Collider (LHC). It has a broad physics program ranging from studying the Standard Model (including the Higgs boson) to searching for extra dimensions and particles that could make up dark matter. Credit: CERN 

据美国能源部（U.S. Department of Energy简称 DOE）2024年1月15日提供的消息，大型强子对撞机（ Large Hadron Collider简称LHC）的科学家们正在探索超越粒子物理标准模型（ Standard Model of Particle Physics）的新粒子，旨在打破其局限性，促进技术进步。

随着2012年希格斯玻色子（Higgs boson）的发现，粒子物理学的标准模型似乎已经完成了。标准模型是物理学家目前对宇宙的主要组成部分和四分之三的主要力的最好解释。但仍有许多谜团是标准模型无法解释的。其中包括暗物质（dark matter）和暗能量（dark energy）。美国能源部(DOE)支持的物理学家们正试图弄清楚，在标准模型之外是否存在粒子和力，如果存在，它们是什么。

大型强子对撞机的研究（ Research at the Large Hadron Collider）

美国明尼苏达大学双子城分校（ University of Minnesota Twin Cities）的纳迪娅·斯特罗布（Nadja Strobbe）就是其中一名研究人员。她在大型强子对撞机( LHC)做实验，LHC是世界上最大、最强大的粒子加速器。LHC也是科学家发现希格斯玻色子的地方。它是位于瑞士的一个17英里长的环形管道。它使粒子的速度达到光速的99.9999991%。在某些点上，粒子束碰撞并产生壮观的新粒子喷雾。科学家们收集机器运行时每秒发生的4000万次粒子碰撞的数据。这些数据为科学家们提供了对宇宙的新见解。他们正在探索的一些问题是，为什么存在物质，为什么不同的粒子有不同的质量。

对顶超夸克的追求（ The Quest for the Top Squark）

纳迪娅·斯特罗布是明尼苏达大学科学与工程学院（University of Minnesota College of Science and Engineering）的物理学和天文学教授，他正在寻找一种从未见过的粒子，称为顶超夸克（ never-before-seen particle called the “top squark” ）。这是一种理论化的粒子，不适合当前的粒子物理学标准模型。目前的标准模型有17种不同的粒子，其中一些是构成物质的粒子。其中包括构成质子和中子的夸克（ quarks that make up  protons and  neutrons），以及包含电子的另一种称为轻子（leptons）的夸克。标准模型还描述了携带四种主要力中的三种的粒子，这些力驱动这些构成粒子之间的相互作用。早在实验物理学家发现这些粒子存在的证据之前，理论学家就已经预言了它们的存在。标准模型就像一个填字游戏，理论提供线索，让物理学家填补空白。希格斯玻色子（Higgs boson）是最后一个有待填补的空白。

超对称和超越（ Supersymmetry and Beyond）

超对称理论或许能够进一步扩展物理学，超越标准模型。它表明，在标准模型中存在的每一个粒子都有一个“超级伙伴”粒子（“superpartner” particle）。标准模型中存在的一种粒子叫做顶夸克。纳迪娅·斯特罗布正在研究的“顶超夸克”（ “top squark”）是顶夸克的理论超级伙伴。发现顶超夸克的实验证据可以帮助科学家解决目前标准模型无法解释的一些问题。

LHC在推进物理学中的作用( The LHC’s Role in Advancing Physics)

大型强子对撞机(LHC)对纳迪娅·斯特罗布的工作至关重要，因为它有可能产生这些超对称粒子。包括纳迪娅·斯特罗布在内的科学家们正在利用LHC对质子进行碰撞，试图产生这些理论上的粒子。她最近得到了美国能源部科学办公室(DOE Office of Science)的支持，以改进机器学习如何解释LHC的数据。

LHC和纳迪娅·斯特罗布的工作正在帮助我们更好地理解宇宙的基本原理。它们还为未来的技术奠定了基础。科学家们从改进粒子加速器技术中获得的知识已被证明对开发CT扫描（CT scans）和核磁共振成像（MRIs）等医疗技术至关重要。从物质的构建模块到我们用来拯救生命的技术，物理学家们正在寻找新的方法来扩大我们对周围世界的了解。

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Breaking Physics: The Radical Search for the Universe’s Missing Pieces

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