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美巨型磁铁到达费米实验室新家,3个四夸克新粒

时间:2019-09-01 06:24来源:科学研究
美巨型磁铁到达费米实验室新家 科学家将重新测量μ介子磁性 废金矿里寻粒子 美国长基线中微子设施破土动工 据欧洲核子研究中心官网消息,大型强子对撞机底夸克实验团队近日报告

美巨型磁铁到达费米实验室新家

科学家将重新测量μ介子磁性

废金矿里寻粒子 美国长基线中微子设施破土动工

据欧洲核子研究中心官网消息,大型强子对撞机底夸克实验团队近日报告称,他们通过分析大型强子对撞机获得的数据,发现了3个新的“奇异”粒子并证实了第四个“奇异”粒子的存在。这些“四胞胎”粒子全由4个夸克组成,但拥有不同的质量和属性。

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1964年,美国物理学家默里·盖尔曼与乔治·茨威格提出,所有强子(受到强相互作用影响的亚原子粒子)都由若干种叫做“夸克”的粒子组成。然而,一段时间内,科学家们观察到的强子要么由一对夸克-反夸克组成;要么由三个夸克组成。不过,在过去10年间,有多个科学团队发现了由三个以上夸克组成的粒子的证据。例如,美国费米国家实验室费米碰撞探测器团队于2009年发现的4个夸克粒子X。后来,LHC的紧凑渺子线圈团队和费米实验室万亿电子伏特加速器Dzero实验小组也都报告了类似的结果。

图片来源:Reidar Hahn

研究人员重新测量μ介子的磁性。图片来源:FERMILAB

霍姆斯特克金矿曾是北美最大、最深的金矿。

在最新研究中,研究人员对LHC首次运行(从2010—2012年)的整套数据进行了分析,并对一个B 介子衰变成J/ψ、φ介子和K 介子的过程进行详细分析。除再次发现X外,他们还首次发现了3个质量更重的新粒子,并根据其质量分别命名为:X、X和X。每个粒子由2个粲夸克和2个奇夸克采用独特方式排列而成,成为首个完全由重夸克组成的粒子家族。进一步的测量发现,每个粒子各自拥有独特的内部结构、质量和量子数。

7月26日早上,物理学家们终于可以松口气了。15米宽的超导磁铁储存环成功进入了美国费米国家加速器实验室的大门。这是令人焦虑的5000公里旅行的最后一步,该大设备从纽约的布鲁克海文国家实验室来到了位于伊利诺伊州的新家。

物理学家计划会对新物理的“老问题”进行探索。位于美国伊利诺斯州的费米国家加速器实验室的一个研究组将开始精确测量μ介子的磁性。此前的实验表明,μ介子的磁性或比粒子物理学标准模型预测的稍大一些。

图片来源:Matthew Kapust

美国雪城大学的物理学教授托马斯·斯克瓦尔尼茨基说:“这是我们首次发现这一家族,将帮助我们厘清不同理论模型之间的区别,理论学家们也将使用测量结果加强对粒子的形成,以及物质基本结构的理解。”此外,去年7月份,LHCb团队还首次发现了“五夸克”粒子。

这个储存环是一个名为“μ介子g-2”实验的一部分。该实验致力于精确测量基本粒子的磁矩,以期探测到新物理学线索。之前在布鲁克海文国家实验室所得出的结果与标准模型不相符,现在Fermilab研究小组希望通过使用改良μ介子束进行重复实验,能最终证实或驳斥该结果。

这将给研究人员几十年来想要的东西:超越标准模型的物理证据,这有望翻开物理学的新篇章。

近日,物理学家和政客们在美国南达科他州一座曾经的矿山上聚集,为该国下一项重要的粒子物理实验奠基。这项名为长基线中微子设施的实验,将从位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室,向1300公里外的庞大粒子探测器发射被称为中微子的难以捉摸的粒子束。该探测器位于南达科他州莱德市一处废弃的金矿内。

6月22日,储存环开始了千里大搬家。卡车拖运着它沿着长岛威廉弗洛伊德公路行驶,最终于6月24日凌晨到达长岛港口。然后,工作人员将磁铁装上驳船,扬帆起航,沿东海岸溯流而下。然而到达弗吉尼亚州诺福克附近后,一场大暴雨使行程推迟了5天。

μ介子一种带负电,由一个夸克和一个反夸克构成,受到强相互作用力作用,属于强子。其寿命2.20微秒,在此后由于弱相互作用力的作用衰变。

为建造这座模块化探测器,工人们需要在1480米深的地下挖出巨大洞穴,将重量和十几艘航空母舰相当的石头运走,然后用卡车运进来几百万吨冷冻液氩。

不过在热带风暴到来之前,驳船来到佛罗里达州,然后穿过墨西哥湾。一艘名为凯蒂小姐的拖船推着磁铁游过3条河,最终于7月20日到达伊利诺伊州雷蒙特。磁铁又花费了3个夜晚,经过被关闭的伊利诺伊州公路,到达目的地。

“物理学现在可以从大自然中获得‘一点爱’。” 这项实验的共同发言人、西雅图华盛顿大学物理学家David Hertzog说。由于世界上最大的粒子加速器——位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机,未能发现超越标准模型的粒子,物理学家越来越感受到阻碍。

“看到项目真正开始建设,我们非常激动。”位于莱德市的南达科他州科学技术管理局局长Mike Headley表示,“项目正在推进,并且将从科学意义上给美国带来重要影响。对此,我们兴奋不已。”Headley还是桑福德地下研究设施的负责人。SURF是南达科他州利用慈善家丹尼•桑福德提供的7000万美元捐赠,于2006年在霍姆斯特克开建的小型实验室。

Fermilab物理学家Brendan Casey表示,每到一站,“道路两边都站满了人。”该实验室负责主持迎接储存环的公共活动。

科学家希望通过这一名为“μ介子g-2”的实验获得梦寐已求的结果。μ介子g-2可以提供一些间接证据,证明这些粒子过于沉重,无法由LHC产生。

中微子或许是最神秘的亚原子粒子,数量超过任何一种物质粒子。然而,它们的相互作用是如此微弱,以至于尽管每秒有上万亿中微子穿过人体,但并未被注意到。中微子以3种类型存在:电子、μ介子和τ介子。它们能转换成,或者说振荡成另外两种中微子。通过将来自粒子加速器的μ介子中微子发射至遥远的地下探测器,物理学家已经勾勒出此类“中微子振荡”的基本框架。LBNF旨在进一步明确所有细节,并且让物理学家提出的关于该现象的理论接受严峻考验。与此同时,它将寻找中微子和反中微子之间的轻微不对称,而这对于解释婴儿期的宇宙如何产生远多于反物质的物质至关重要。LBNF还将探寻更加怪异的新物理学现象的痕迹。

在整个旅行中,储存环由一个40吨的运输夹具固定,以确保磁铁不会出现超过2毫米的弯曲或扭曲——这样会损坏内部的超导线圈。该工具由重载运输公司“埃莫特国际”设计。

μ介子是电子更重且不稳定的“表亲”。由于它带电荷,因此会在磁场中旋转。每个μ介子会像微型条形磁铁一样被磁化,将一个μ介子放在与其磁化方向垂直的磁场中,其磁极将像罗盘指针一样旋转或进动。

早在2001年,科学家便提议建造此类实验设施,作为一个设在霍姆斯特克且由美国国家科学基金会提供资助的更大的多用途实验室的一部分。不过,2010年,为NSF设置政策的美国国家科学委员会拒绝了这一想法,并且让能源部着手建造中微子实验设施。此后,随着物理学家和DOE官员就该部门能负担的费用不断讨价还价,此项努力的规模和范围变来变去。2014年,他们同意将实验恢复到原有范围,并且使其成为一个国际项目。目前,DOE有望负担15亿美元的全部开支。如今被单独称为地下深处中微子实验的探测器本身,将包括4个巨大的超纯液氩罐。

Fermilab的科学家计划在未来几周内开始测试磁铁,到大约1年之后,他们才能知道线圈在运输过程中是否受伤。研究人员希望在2016年能开始获取数据。

乍一看,理论预测,在磁场中,μ介子的磁性应该以与粒子本身速度相同的速度旋进,因此,如果它开始向飞行方向极化,它就会一直被锁在轨道上。然而,由于量子不确定性,μ介子会在旋转过程中不断释放并重吸收其他粒子。这些粒子在突然来访和离开的过程中产生的烟雾增加了μ介子的磁性,从而使它的进动速度比本身速度略快。

不过,在科学家能建造实验设施前,工程师和工人必须大大扩展SURF。他们将炸出4个约70米长、20米宽和29米高的洞以及更长、更低的服务大厅。Fermilab土木工程师、LBNF常规设施项目经理Tracy Lundin介绍说,他们将挖出约790吨岩石。这些岩石将分批“搭乘”矿山现有的牵引电梯,随后被一个1200米长的传送带运送,然后被放置在一个由此前的地表采矿工作留下的洞中。挖掘工作可能持续3年左右。

《中国科学报》 (2013-07-31 第3版 国际)

由于μ介子可释放和重新吸收任何粒子,因此,它的磁性会标识所有可能的粒子——甚至是LHC无法制造出的太重的新粒子。伊利诺伊大学理论家Aida El-Khadra说,其他带电粒子也可以对这个看不见的粒子进行采样。但是,她补充道,μ介子的亮点是足够轻,从而长寿且重。

Lundin表示,尽管这些数字令人头晕目眩,但此类挖掘并非史无前例。“在地下建筑领域,这是一个大中型项目。”同时,工程师和工人遇到了一个有利条件:岩石中的残余应力适中,从而减少了挖掘期间岩石断裂或移动的风险。

1997年到2001年,布鲁克海文国家实验室的g-2团队通过将数千个粒子投射到直径45米的夹在超导磁体之间的环形真空室,对μ介子的磁性进行了测量。

一旦工人挖开洞穴,他们将建造盛放液氩的钢储罐。Fermilab工程师、LBNF低温基础设施项目经理David Montanari介绍说,工程师借鉴了一种所谓的薄膜低温恒温器技术。目前,该技术被用在运送液态天然气的油轮船舶中。罐子的内衬层将包括一薄层波纹钢,并且被一层厚厚的绝缘材料和外层钢支撑材料包围。“我们试图不去白费力气做重复工作。”Montanari表示,“我们将利用尽可能多的传统技术。”

在几百微秒内,带正电的μ介子会衰变为正子,这些粒子往往会在μ介子偏振方向上被吐出来。物理学家们可以通过观察环边缘的探测器检测正电子,从而观察μ介子的进动。

金沙澳门官网4166,和油轮船舶相比,这些建在地下深处的钢储罐的位置或许使其在某种程度上更难建造。“能进到矿井下面的钢块有最大尺寸的限制。”Fermilab物理学家、DUNE技术协调专员Eric James介绍说,“因此,你不得不设计一些东西,以便于它们能被一片一片地拼装起来,并且仍能承受所有液氩施加的压力。”

2001年,该g-2团队首次报告称其磁性比标准模型预测的稍大一点。随后理论学家在标准模型预测中发现了一个简单的数学错误,所以,这一结果很快便被淹没。当该团队在2004年再次测量时,这种差异又出现了。不过,此时理论学家已改进了标准模型计算。

法国南巴黎大学理论家Michel Davier说,他们一直在努力解释μ介子释放和重新吸收称为强子的粒子的过程。他说,通过使用电子—正电子对撞机的数据,理论学家设法减少了最大的不确定性。

目前,物理学家测量出这个差异信号的强度在3.5西格玛以内——小于能被称为发现所需要的5西格玛,但足以吸引研究人员再次尝试。

2013年,g-2团队转战费米实验室。然后,他们将磁场均匀度提高了3倍,以便生成更纯粹的μ介子束。波士顿大学g-2物理学家Lee Roberts说:“这是一个全新的实验,所有事情进展良好。”

Roberts表示,数年来,团队的目标是收集比在布鲁克海文实验室期间多21倍的数据。Hertzog希望明年能获得足够数据得出测量结果,这可能将差异推到5西格玛以上。

μ介子最终会成为通向新物理学的大门吗?加州门洛帕克SLAC国家加速器实验室理论学家JoAnne Hewett犹豫了。“在我的物理生涯中,每一个与标准模型偏差3西格玛的结果都消失了。”她说。“我会谨慎地乐观。”

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