主题：探索量子宇宙——粒子对撞机的任务（1） -- 邪恶本质

反物质短缺

宇宙中的物质远超过反物质，占据主导地位，这依然是一个谜。希格斯粒子家族也许和这个问题有着很深的联系。

物理学家相信，在大爆炸之后的很短时刻内，宇宙热得足以让希格斯粒子无法完成其分配质量的任务。短时间过后，宇宙冷却到能够让希格斯粒子开始工作。在物理学已知的定律中，这个解释提供了几乎全部但非完全足够的要素来产生物质和反物质的不平衡。看上去缺少的东西是物质-反物质不平衡的更强的起源以及一些附加的相互作用，比如希格斯粒子和其它类希格斯粒子的相互作用。

LHC通过发现多个希格斯粒子或者揭示其它粒子，如超对称伙伴的存在，将在研究这个主题中迈出第一步。直线对撞机实验则可能探测物质超过反物质占据主导的新的起源。

不只有对撞机

探索量子宇宙将下一代粒子加速器——LHC和ILC的任务描述为探索将从根本上改变人类对宇宙的观念的物理定律。尽管它们的任务非常重要，然而加速器并非科学家为回答这些关于物质、能量、时空的本质的最引人注目的问题所使用的唯一工具。从太空到地面的天文学和宇宙学的观测，同样在探索关于宇宙的基本参数。地下的实验正在观察寻找通过超高灵敏度的探测器的暗物质的微弱信号。

没有单独的科学实验能够胜任所有工作。例如来自天文学和宇宙学的观测结果，揭示了宇宙的大部分是由暗物质和暗能量构成。在加速器上的实验才能发现它们到底是什么以及它们如何起作用。

为了回答关于宇宙本质的最具挑战性的问题，所有的努力都必须相洽。来自加速器实验的结果必须符合天文学的观测以及来自地下实验的结果。探索量子宇宙需要将把这些不同的科学实验中的最有力和最剧洞察力的观测结果组合起来，成为一个比它们中任何一个独自能达到的结果强大更多的综合体。

图绘黑暗宇宙

在一个陈旧的明尼苏达州铁矿的地下深处，CDMS II实验正在使用高灵敏的探测器来寻找从宇宙中的暗物质粒子流所留下的微弱痕迹。同时，天体物理实验正在寻找宇宙某个地方暗物质粒子湮灭所产生的宇宙线辐射。来自这些暗物质探测实验的信号将洞见暗物质的性质，并强烈的鼓励在LHC和ILC上面探索暗物质。

实际上，物理学家已经在暗物质探索实验中报告了可能的信号的暗示。不幸的是，由于两个笼罩其上的未知的存在，对这些实验的解释并不确定。关于暗物质粒子性质的不确定性不能与来自天体物理观测的不确定性——例如星系中的暗物质粒子的空间分布和速度——区分开。

ILC对于解决这些不确定性非常重要，由于它能探测暗物质粒子的精确性质。发现暗物质的比例将能够提供明确的对暗物质分布的探测。就如同传统的望远镜绘制了光亮宇宙的图像，直线对撞机的数据与其它实验和观测的结合将绘制黑暗宇宙的图像，从而指明宇宙的结构。

看见隐形——两个对撞机的故事

在粒子物理学中，发现通常依赖于精确的记录。在高能碰撞中，基本的力在几万亿亿分之一秒内起作用，产生非常不稳定的新粒子，它们几乎立即就衰变成为许多“子女”粒子。计算机对每个碰撞事件做出详细的记录，尽可能完全地确定什么粒子进去了，什么粒子出来了，每个粒子运动有多快以及其方向如何。物理学家然后对碰撞中发生的事重建出最可能的解释。

在一些事件中，数目不能合计，记录也不平衡。例如，产生的粒子的总能量可能比原来碰撞时的总能量小，这即所谓的逃脱能量问题。另一个例子是一个新的重粒子在垂直于束流方向上离开，而在反方向上没有东西可以与之平衡，这即所谓的逃脱动量问题。逃脱的能量和动量可能是逃脱的粒子的信号：这些粒子的作用太微弱，以至于无法直接探测，但是带走的能量和动量泄露了它们的存在。

如果在对撞机上产生了暗物质，它们将通过探测器而不留下丝毫痕迹。为了证明它们的短暂存在，物理学家将寻找逃脱能量和动量的印记。通过探测在同一碰撞中产生的其它粒子，物理学家可以推断出暗物质粒子的性质。这和在高能物理碰撞实验中推断中微子的作用所应用的技术是一样的。

在LHC 上的质子碰撞，质子的复合粒子性质对于粒子的记录做出了额外的挑战。质子就像一个装有夸克和胶子的小袋子。在一个独立的碰撞中，参与碰撞的夸克或者胶子的身份或者能量都是未知。然而，依然可能观测到逃脱动量，对所有的质子对撞机，在粒子记录上都存在一条基本的鸿沟。

然而，在电子-正电子碰撞中，实验者知道参与碰撞的粒子的身份、能量和动量，这允许简单且完整的粒子记录，并使得直线对撞机成为一个鉴别暗物质的灵敏工具。