主题：探索量子宇宙——粒子对撞机的任务（1） -- 邪恶本质
家园 探索量子宇宙——粒子对撞机的任务（1） （说明：本文由高能物理顾问组的报告"Discovering the Quantum Universe"翻译而成。仅仅是出于个人兴趣，并未得到原作者的任何授权，因此不对文中出现的任何错译和漏译承担任何责任，但是欢迎指出翻译错误。译者欢迎转载，但请保留该说明并注目出处。该报告的英文原文可在 这里 找到并免费下载。）
“量子宇宙”是什么意思？
探索宇宙由何物构成以及它们如何起作用是粒子物理的挑战。“量子宇宙”定义了用量子力学——它支配着微观的亚原子世界的行为——来解释宇宙的任务。它描述了粒子物理的一场革命，以及我们对于宇宙的奥秘和美的理解的突飞猛进。
介绍 探索量子宇宙
当前是粒子物理学发生剧烈变化的时代。最近的实验证据要求一个关于宇宙的革命性的新图像。即将到来的发现将用新的物质形态、新的自然力和新的时空维度拓展（我们的）想象力。突破将来自下一代粒子加速器——目前正在欧洲建造的大型强子对撞机和计划中的国际直线对撞机。这些加速器上的实验将革新你关于的宇宙的认识。
[SIZE=3]内容概要[/SIZE]前往太电子伏尺度
粒子物理学家将前往一个广阔的新的科学未知区域。当他们这样做时，在接下来的十年里，他们将面对一个他们当中很多人穷其一生所建立理论且梦想的关于发现的领域。这个未探索的区域就是太电子伏尺度，用太电子伏特(Teravolts)的粒子加速器能量——它将展示新的科学发现——来命名。下一代的粒子加速器是物理学家通向太电子伏尺度和隐藏支配着宇宙的物理规律的本质的秘密的车票。物理学家相信，他们一旦看到了太电子伏尺度，宇宙看上去绝不会和以前一样。
尽管物理学家不得不去探索太电子尺度，他们对于将会找到的东西已有想法。过去三十年的实验和理论产生了很多关于它的特征和轮廓的线索及预言——一本介绍从来无人见识的国家的详细旅行指南。在欧洲CERN的大型强子对撞机将很快显示理论的指导手册与太电子伏尺度的现实之间是何种关系。来自这些实验的真实数据将重写理论物理学家的《量子宇宙指南》。
大部分理论都赞同一些特定的太电子伏尺度的特性。大部分物理学家希望能够找到希格斯玻色子，或者无论哪种并非希格斯粒子，但起希格斯粒子一样作用，能给予物质粒子质量的粒子。迄今为止的实验和理论看上去都显示着在太电子伏能量上存在某种类似希格斯粒子的东西，防止宇宙和它内部的一起以光速彼此分离。LHC实验极有可能发现它。当他们成功时，这发现将是技术和人类智力的胜利。确定性稍小但是依然明显可能的是暗物质、空间的额外维度、所有已知物质粒子的“超对称伙伴”、平行宇宙以及完全未知的现象的发现。
如同发现一个从未涉足的大陆一样，在LHC上对太电子伏尺度的探索将永远改变宇宙的“地理”。但是也存在着对LHC的视野的限制。对于太电子伏尺度的物理的全面领会需要一个全面的来源和精细的不同种类的信息。同LHC一道，物理学家提出了第二个关于太电子伏尺度探索的粒子加速器，它使用不同种类的的粒子——用电子替代了LHC的质子——和不同的技术。LHC指出了道路，直线加速器则提供太电子伏尺度缺少的图景并写下指导手册缺少的篇章。
例如，如果LHC的实验发现了希格斯粒子或者类似希格斯粒子的东西，直线加速器将介入给一特写。它是否真的是希格斯粒子？它是单独的，或是还有“亲戚”？它怎样和周围的粒子相互作用？
LHC实验将很好的鉴定暗物质——在宇宙中重量超过可见物质五倍的神秘组分——的候选者。在LHC上观测到的暗物质将是一个特别的发现，又一次的，直线对撞机能够发现物理学家需要的信息：它是否真的是暗物质？它是否具有所有的暗物质必须的性质？它组成了所有的暗物质，还是仅仅一部分？如果LHC的实验发现了超对称、额外维度或者平行宇宙的证据，直线对撞机则具有探索它们的真正本质的能力。
伴随来自LHC实验的图像，直线对撞机的范围与太电子伏尺度的物理相交。它也能够提供另一个特殊的能力。使用来自LHC发现作为参考，它能够探测发生在能量远超过太电子伏尺度的现象的量子效应，扮演了一个从太电子伏尺度到爱因斯坦梦想的能量尺度——这里自然界所有的不同种类的力可能统一成一种——的望远镜。
直线对撞机的设计可以允许它作为一个太电子伏尺度的全区域探测器，适应深度研究LHC所作的发现。LHC发现的关于太电子伏尺度的信息越多，直线对撞机所将做出的发现也越多。
关于太电子伏尺度的明确图景将等待在下一代加速器——马上就要成为现实的LHC，尚处于计划中的直线对撞机——上的实验结果。探索量子宇宙给出了在这个新的科学领域里面实验将回答的问题的最好估计，伴随着三个主题：太电子伏尺度的秘密，暗物质之光和爱因斯坦的望远镜。
家园 花。顺便把pdf文件链接放下来 http://www.interactions.org/quantumuniverse/dqu.pdf
家园 好像网络建设也是加速器的一个大问题 作为国际项目成果自然要共享，但如何让全世界的科学家分享也是个大问题，不知道它产生的数据是什么东西，照片吗？号称每天的数据都有上千G,要把它发送到世界各地也不太容易，如果在中国建是不是还得专门拉条光缆啊，说不定对我们的互联网建设大有裨益。
家园 【原创】LHC的数据处理 LHC每年产生大约15Petabytes (15 million Gigabytes)的数据，为了处理这些数据，欧洲、美国以及世界上其它很多国家（包括中国）的物理研究单位联合起来，产生了LCG（LHC Computing Grid）这个项目。这个项目简单的说就是用超高速的网络把世界上很多计算中心的集群通过LCG的软件组织起来，共同处理和分析这些数据。原则上，物理学家只要简单提交他们的数据分析程序（作业）给这个LCG网格，作业就会自动地被分配在合适的地方执行：他们不用知道在那里执行（比如英国，美国，中国···），也不用知道数据具体存放在哪里（CERN，法国的某个服务器上，英国的某个服务器上，德国的···，不过他们只要告诉LCG数据集的名字）就可以得到结果。LCG会有超过10万个CPU供物理学家使用。
中国的高能所也是其中一个数据处理中心（第二级的，我们叫它Tier-2）,中国科学院提供一个1G-10G的数据链路到法国的上一级中心（Tier-1）。LCG有大约10个Tier-1。其中台湾有一个。CERN是唯一一个Tier-0，保存了所有的原始数据（RAW）。
有时间我写个详细一些地介绍，如果大家有兴趣。
家园 呼呼，前后花了三个多月时间，总算翻译完了 其实也没多少东西。
家园 探索量子宇宙——粒子对撞机的任务（完） 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。
外链图片需谨慎，可能会被源头改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
家园 我是外行，在这提个问题 看PBS的一个节目，有关多为空间的，叫什么fantastic的东西，当时津津有味，现在忘了大部分，毕竟和那一行离的太远。其中有关用例子加速器来探讨多为空间是否存在的时候，我突然想到个问题：
为验证多为空间是否存在，用粒子高速轰击的时候，可能会出现引力子（或其它假设的什么子），然后这个引力子会因为速度／强度超大，逃逸入另外一个空间中，从而被探测器发现，间接验证。可是，我觉得多维空间如果存在，哪彼此之间肯定会存在着平衡，从这个空间进入另一个空间，就回打破平衡，哪另一个空间也肯定会同时产生相应的反应来维持平衡，譬如送回一个引力子，而这种相互传送可能是太快而觉察不到，这样的话能探测到吗？
粗粗一点想法，请勿见笑。
家园 感觉这里面有很多概念上的理解偏差 Extra dimensions并非指和我们的时空所独立的空间，而是指我们所处的时空本身就可能多于4个维度。
现在我们拥有的成功理论都是基于三维空间或者四维时空的，但是有些理论则认为时空可能存在更高的维度，比如超弦要求时空是11维的。但为什么我们只能看到3个空间维度呢？有些理论就说这些多余的维度在非常小的尺度上卷曲起来了，所以是没法看到的。但是在高能下，这些额外的维度可能会对粒子的一些性质造成影响，比如改变其表观质量（也就是我们测得的质量），这样的话，我们就可能知道额外维度的存在，甚至可以计算出额外的空间维度以及其形状。
你所理解的
逃逸入另外一个空间中应该是指粒子在高速下进入了额外的空间维度。这样粒子在额外的空间维度中运动具有动能，但是我们在三维的空间中探测到它，表现出的后果就是粒子变“重”了。
下图是一个理论上的卷曲的空间额外维度的例子
外链图片需谨慎，可能会被源头改空间的每一个点都有依附于其上的额外维，就像这样
外链图片需谨慎，可能会被源头改连载的第11部分就是在说这个，希望能对你的疑问有所帮助。
家园 thanks a lot. I didn't understand it from the beginning.
家园 关于对撞机的笑话 36.几个同学在实验室里讨论正负电子对撞机工作时会产生何种粒子，旁边一人听了半天说：“哦，原来正负电子对撞机是干这个的啊，我一直以为是给中央领导炼丹的呢……”（北大未名）
- 复 关于对撞机的笑话
家园 【文摘】我一直以为是给中央领导炼丹的呢…… 家园 偷偷的说 北京正负电子对撞机实验导致时空波动，从而让诸葛亮被陨石砸死。
- 复 偷偷的说
家园 摸摸地说： 北京正负电子对撞机实验导致时空波动，从而让鸭蛋爱上傻娃。北京正负电子对撞机实验导致时空波动，从而让大陆开始漂移。
北京正负电子对撞机实验导致时空波动，从而让青藏发生崛起。
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北京正负电子对撞机实验导致时空波动，从而让苹果砸中牛顿。
北京正负电子对撞机实验导致时空波动，从而让主席发动文革。
北京正负电子对撞机实验导致时空波动，从而让小平决策立项。
所以，北京正负电子对撞机自己产生了自己。它横空出世，它楔入时空，它在未来影响过去，又凭借过去作用未来，它之前的一切历史都不过是过场，它之后的一切历史都不过是形式。
[MOVE]它之前的一切历史都不过是过场，它之后的一切历史都不过是形式。[/MOVE]
它就是MATRIX。
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