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大型强子对撞机的新结果

发布时间:2018-05-16

em大型强子对撞机上的最新实验报告了这次运行的第一次粒子碰撞,并描述了两个质子在13 TeV时的平均碰撞情况。 / em

经过两年的断层后,世界上最大和最强大的粒子加速器 - 大型强子对撞机在6月开始了第二轮实验,将13原子电子伏特(TeV)的亚原子粒子 - 实验室。物理学家希望这种高能碰撞可能会产生全新的粒子,并可能模拟早期宇宙中所见的情况。

该论文将出现在期刊Physics Letters B中。研究领导人之一是麻省理工学院助理教授物理学家Yen-Jie Lee,他与物理学教授Gunther Roland和Bolek Wyslouch一起领导MIT的相对论重离子团体。

在实验运行中,研究人员发送了两束质子束,以接近光速的速度在对撞机周围的相反方向飞行。每束包含476束1000亿个质子,每50纳秒发生一次质子碰撞。该小组分析了2000万个相互作用的质子束的“快照”,并确定了包含质子与质子碰撞的150,000个事件。

对于研究人员发现的每次碰撞,他们确定了碰撞质子散射的粒子的数量和角度。平均质子碰撞产生约22个带电粒子,称为强子,主要是沿着横向平面散射,紧邻主碰撞点。

与对撞机的第一次运行相比,在7 TeV的能量强度下,最近的13 TeV实验每碰撞产生30%的颗粒。

李说,结果支持这一理论,即更高能量的碰撞可能会增加找到新粒子的机会。结果还提供了一个典型的质子碰撞的精确图片 - 这张图片可以帮助科学家筛选寻找非典型粒子的平均事件。

“在这么高的强度下,我们每秒钟都会观察到数亿次碰撞,”Lee说。 “但问题是,几乎所有这些碰撞都是典型的背景事件。你真的需要很好地理解背景,所以你可以将它从新物理效果的信号中分离出来。现在我们已经为潜在的新粒子的发现做好了准备。“

缩小微小碰撞的不确定性

通常情况下,13 TeV并不是一个大量的能量 - 大约是飞蚊子消耗的能量。但是当这种能量被包装成一个质子的时候,只有不到一万亿分之一的蚊子,这个粒子的能量密度变得巨大。当两个这样的能量包装的质子相互粉碎时,它们可以从每个质子 - 夸克或胶子 - 中剔除组分,这些质子又可能相互作用而产生全新的粒子。

预测质子碰撞产生的粒子数量可以帮助科学家确定检测新粒子的可能性。但是,现有模型产生30%至40%不确定性的预测。这意味着对于产生大量粒子的高能碰撞,检测稀有粒子的不确定性可能是一个相当大的问题。

“对于高亮度运行,您可能有多达100次碰撞,而基于现有模型的背景水平的不确定性将非常大,”Lee说。

为了缩小这种不确定性,并更精确地计算一次平均质子碰撞中产生的粒子数量,Lee和他的团队使用了大型强子对撞机的CMS探测器。探测器围绕一个巨大的磁铁构建,可以产生比地球磁场强十万倍的磁场。

通常,磁场用于弯​​曲由质子碰撞产生的带电粒子。这种弯曲使科学家能够测量粒子的动量。然而,平均碰撞通常产生具有非常低动量的轻质颗粒 - 在磁场中,颗粒最终卷绕到主对撞机的射束管上,而不是朝着CMS检测器弯曲。

为了计算这些带电荷的轻质颗粒,科学家们用检测器的磁铁分析了数据。虽然他们无法测量粒子的动量,但他们可以精确计数带电粒子的数量,并测量它们到达检测器的角度。 Lee说,这些测量结果与现有的理论模型相比,可以更准确地反映出平均质子碰撞情况。

“我们的测量实际上大大缩小了不确定性,只有百分之几,”李说。

模拟早期的宇宙

了解一个典型的质子碰撞看起来将如何帮助科学家设置对撞机,以基本观察平均事件的背景,更有效地检测稀有粒子。

李说,新的结果也可能对早期宇宙中热和稠密介质的研究产生重大影响。除了质子碰撞之外,科学家们还计划研究铅离子的最高能量碰撞,其中每个碰撞包含208个质子和中子。当在对撞机中加速时,由于称为洛伦兹收缩的力,铅离子会变成磁盘。当砸碎在一起时,铅离子可以在质子之间产生数以百计的相互作用,并产生极其密集的介质,被认为可以模拟宇宙大爆炸后的空间条件。通过这种方式,大型强子对撞机实验可以模拟早期宇宙初始时刻的情况。

“宇宙大爆炸后一微秒,宇宙非常密集和热 - 约1万亿度,”李说。 “通过铅离子碰撞,我们可以在”小爆炸“中重现早期宇宙。如果我们能够理解一个质子碰撞看起来像什么,那么我们或许可以更深入地了解数百个质子碰撞发生时会发生什么。同时。然后,我们可以看到我们对早期宇宙的了解。“

这项研究部分由美国能源部资助。

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu

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