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在大型强子对撞机中,根本没有强子对撞?

时间: 2017年07月10日 | 作者: Sarah Charley | 来源: Symmetry magazine
质子内部其实是空荡荡的,我们想象中的那种碰撞从未发生。

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大型强子对撞机(Large Hadron Collider)确实很庞大,它的周长有17英里(约27.3千米),是这个星球上最大的对撞机。但是它名字后部分有一定的误导性。这是因为在LHC中对撞的只是强子内部很小的部分,而不是强子本身。

 

强子是由夸克和胶子组成的复合粒子。其中胶子传递着强相互作用力,让夸克紧紧地粘在一起,形成单个粒子。LHC中最主要的对撞粒子是被称为质子的强子。质子由三个夸克和难以计数的胶子组成。(质子又进一步组成原子,而原子构成世界万物)

 

如果把一个质子放大到篮球那么大,它看起来会显得空荡荡。和原子一样,质子也几乎完全是空的。质子中的单个夸克和胶子是非常小的,只有不到整个质子直径的万分之一。

 

“质子的内部就像是你周围的空气,“杜伦大学理论学家理查德·鲁伊斯说。“是真空和微观粒子的混合,总而言之,没有实在的体积。”

 

”但是如果你把这些粒子放入一个气球中,你会发现气球膨胀了。虽然质子内部的粒子很微小,但是它们彼此之间存在着相互作用并向它们周围施加了作用力,这不可避免地产生了某种拥有可观测体积的物体。”

 

那么我们如何让两个实际是真空的物体碰撞呢?我们做不到,但幸运的是,我们并不需要一次经典碰撞来解放一个粒子所有的潜能。

 

在粒子物理学中,“碰撞”一词可以理解为两个质子滑过彼此,它们的基本组成部分离得相当近而可以相互“交谈”。如果它们的声音足够响亮并以一个正确的方式产生共鸣,它们能够激发隐藏在幕后的量子场,让它以自己的声调来回应——也就是产生了新的粒子。

 

“这非常像音乐。”鲁伊斯说,“整个宇宙就是复杂和谐的交响曲,彼此之间相互呼应。我们可以轻易地产生中间调,对应质子和介子,但是某些音符非常高,它们需要很大的能量和精确的条件来共鸣。”

 

真空中充满了量子场,当它以正确的能量振动时可以短暂地产生一个粒子。这样的场大多在幕后,但发挥着非常重要的作用。例如,希格斯场与其他粒子相互作用来赋予它们质量。但是一个希格斯粒子只会在希格斯场发生正确共鸣时出现。

 

当质子在LHC的碰撞中相遇,它们分解,其中的夸克和胶子飞出。它们相互作用,从真空中激发出更多的夸克和胶子,最后形成一大批高速运动的强子。

 

这个亚原子共生现象能在LHC中实现并通过实验记录下来,但是它并不仅局限发生在实验室环境中。粒子也会被超新星残骸这样的宇宙源加速。“这发生在宇宙各处,”鲁伊斯说,“在这种意义上,LHC和其中进行的实验并不特殊。它们更像一个大型音乐厅,提供奏乐的能量并记录每个质子内部的交响乐。”


撰文 | Sarah Charley

翻译 | 郭鑫鹏

审校 | 韩晶晶

 

原文链接:

http://www.symmetrymagazine.org/article/whats-really-happening-during-an-lhc-collision

 


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