主题：探索量子宇宙——粒子对撞机的任务（1） -- 邪恶本质

物质的统一

在日常世界里，力到处移动物体，让事物分崩离析。在亚原子世界，力能够让一种基本粒子变成另一种。这种转变意味着组成物质的粒子以一种基本而神秘的方式相关联。一种可能性就是在大爆炸的时刻只有一种物质粒子，它们在宇宙冷却下来的时候选取了很多看起来不同的形式。这可能意味着目前已知的45种物质粒子是属于不同外观下的同一种粒子。这个想法被称为物质的统一。

如果在 LHC 上发现了超对称粒子，物理学家将能够对物质的统一做出确定性的检验。有序的粒子质量图谱和超对称加强的相互作用将提供构造物质的新方式。特别的，这些图谱将把太电子伏尺度的测量结果和更高的能量——那里物质的统一可能是显然的——联系在一起。直线对撞机上的实验将具有探索这个关联的精确度，像一个望远镜一样聚焦到大爆炸的第一个瞬间。

物质的统一的发现将具有深刻的意义。它意味着所有的普通物质终将土崩瓦解，象征着宇宙的终极命运。它也需要一种自然界的新的基本力的存在，这种力能产生一种不属于已经观测到的所有粒子的奇异粒子。

未知的力

大统一、额外维和弦理论都意味着自然界中存在新的力。在LHC上，一种被称为Z'的新的重粒子的发现将意味着这样一种新的力的发现。这也将带来一系列引人注目的问题：这种力是什么？它为什么会存在？这种力是否会在超高能下与其它已知的力统一？这种Z'粒子是否穿行于一种在一个或更多空间额外维度中？

通过将加速器作为一个望远镜，直线对撞机实验将具有探测非常重的Z'粒子的能力。该实验将探测重的Z'粒子在轻的物质粒子对的产生过程中的量子效应。直线对撞机的数据能够清楚地辨别出Z'粒子的不同起源。例如：

来自大统一框架中的Z'，它能够自然地解释中微子质量的起源。

来自统一希格斯粒子和物质粒子的理论框架中的Z'。

在一个或更多的额外维度中运动的Z'。进一步的分析能够通过找到在这些额外维度中运动的粒子来确认这一点。

弦的协奏曲

弦理论是统一大尺度和小尺度的规律的最有希望的候选者。它的目标是理解量子引力的本质以及它与自然界的其它力及宇宙的联系。在弦理论中，引力通过它的超对称效应与粒子物理联系起来。如果在LHC及ILC上发现了超对称，物理学家将能够检验弦理论驱动的对超对称粒子性质的预言。对超对称粒子的性质的精确测量将能够反映引力和弦在超高能下的性质。

这是位于我们目前所理解的粗糙边缘的物理学，但是初步的研究已经考虑了直线对撞机实验探测泄露出的弦的和声的能力。在这里，直线对撞机的精度非常重要，因为弦的效应和外推的超对称参数的值之间有着微小的差距。一项对于LHC及ILC的模拟数据的混合分析显示了有可能符合背后的弦振动的基础参数。尽管本质上无法直接发现弦，这样的一项成就仍将成为爱因斯坦的大胆想法的实现。

协作

在整个粒子物理的研究中，来自一个加速器的实验结果刺激了在另一个上面的发现。早期的实验用质子撞击质子产生新的粒子，但是无法揭示质子的内部构造。终于，用电子束的实验发现质子是由夸克和胶子构成。后期的实验清楚的显示了在质子内部的夸克和胶子是如何分布的——这也是理解质子对撞机的碰撞的需要。在电子- 正电子对撞机上的实验发现高能的夸克和胶子会在探测器内产生粒子的“喷流”。很快，物理学家也在CERN的新的质子-反质子对撞机上观测到了这样的喷流。现在，喷流已经成为了一个寻找新的能够衰变到夸克和胶子的粒子的工具。

1974年，在SLAC和Brookhaven发现的J/psi粒子揭示了粲夸克及其反夸克的存在。当时CERN的质子-质子注入储存环已经在运行，但是ISR探测器的触发器被设置为探测另外的现象，错过了J/psi。通过重新设计具有不同的触发器的探测器，从而观测到J/psi，并显示了它是如何在质子-质子碰撞的强相互作用过程中产生的。

在费米实验室找到了包含底夸克的Upsilon粒子后，电子-正电子对撞机迅速找到了一系列相关的整个粒子谱。它们导致了对绑定夸克和反夸克的强相互作用力的理解以及对于底夸克性质的测量。

电子-正电子对撞机装备了测量碰撞点附近亚毫米量级的距离的探测器，让物理学家得以把底夸克的产生点和它衰变产生的径迹顶点区分开来。运用这个在顶夸克衰变过程中底夸克的“替换顶点”，实验工作者在Tevatron对撞机上发现了顶夸克。

精度

在物理发现中精确测量的任务贯穿了整个物理学史。精确测量提供了对一个提出的物理学规律是否正确的精确证实，它们能排除错误的猜想，以及最重要的，它们能够提供一个理解无法直接观测的宇宙面貌的窗口。

精确测量在二十世纪的物理学大发现中扮演着关键角色。爱因斯坦的相对论说，信息不可能传播得比光速快。在另一方面，著名的牛顿引力定律则说引力是立即作用在远处的物体上的。为了解开这个佯谬，爱因斯坦提出了物质让时空弯曲，从而产生了引力。

检验爱因斯坦的新的称为广义相对论的引力理论并不容易。这需要精确的实验。

太阳系中离太阳最近的行星——水星沿着一个椭圆轨道绕行。天文学家发现水星椭圆的轨道并不回到同一点。每次水星绕太阳一周时，它会回到离原来的椭圆非常近的前面一点。这个效应非常小。科学家在爱因斯坦之前就注意到了这一现象，但是无法根据牛顿的引力理论解释这个运动的全部。这个异常的每世纪43角秒的运动被爱因斯坦的理论所解释。

爱因斯坦的的引力理论预言了水星的轨道将回到它本身之前的距离恰好符合实验的观测。

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结论[/SIZE]

探索量子宇宙

在罗切斯特大学研究生院时，我决定学习粒子物理，因为对我来说，它是我能够想象的最令人激动的领域，以及度过我的一生的最有益的方式。但是在那个时候，我从没意识到它是如何的激动人心。在过去的十年中，我们懂得了我们曾经以为已经充分了解的美丽和有序的宇宙同它的夸克、轻子及基本作用力一起，仅仅是它们之外的一小部分。宇宙中百分之九十五的部分依然是一个谜：暗物质和暗能量。这是粒子物理学家的乐园：一个待探索的具有未知的粒子和力的宇宙。我告诉我的学生，他们正在参与一场革命，不仅仅是关于粒子物理的，而且是人类看待宇宙方式的革命。每一天我们都朝最壮丽的发现进了一步。这也是驱使我每天工作到深夜的动力。

Young-Kee Kim

物理学家，芝加哥大学