10.5 CERN 的实验粒子研究

来源： 考纲 §12 · 课堂笔记 §2.3

CERN（位于日内瓦附近，✎ 1954 年作为欧洲战后和平合作项目创立）运行着世界上最大的粒子加速器——LHC（大型强子对撞机）（✎ 环形隧道周长约 27 km，位于地下约 100 m；「强子」之名见 §10.2——对撞的质子/铅核都是强子）。

结构与工作方式（逐步）：

1. 为什么要加速器？ 按 $E=m{c}^2$，产生重粒子（希格斯、$W/Z$、新粒子）需要很多能量。这能量以动能的形式注入质子：碰撞时质子越快（能量越高），撞击时就能「由能量」产生越重的粒子。
2. 加速过程：质子先在直线加速器中预加速，再注入同步加速器（环形）中跑许多圈，每圈获得能量。这里有两件事是分开完成的：
   • **维持圆轨道——洛伦兹力。**真正把带电质子约束在环形轨道上的力是洛伦兹力（Lorentzkraft） $\overrightarrow{F}=q\overrightarrow{v}\times \overrightarrow{B}$：磁场 $\overrightarrow{B}$ 使每个运动的带电粒子沿垂直于其速度的方向偏转，把轨道弯成圆。LHC 的偏转磁体为此产生极强的磁场，约 8 特斯拉（Tesla）——这只有用超导磁体才能实现（无损耗、超大电流；见主题 14 §14.8，应用 CERN/LHC）。
   • 加速——腔（Kavität）。让质子变快的不是磁体，而是腔（Kavität / 谐振腔，英文 cavity）：内有高频交变电场的空腔，它精确地在恰当节拍上「推」一把，使质子每经过一次就获得一份能量增益（即作用在运动电荷上的加速电场）。
3. 为什么用环（对撞机）？ 两束质子反向运行并被引导正面对撞——这样两者能量相加（远比打一个静止靶有效）。
4. 四个探测器位于交叉点，记录碰撞中产生了哪些粒子、飞向何方：ATLAS 与 CMS（通用型，含希格斯搜寻）、ALICE（夸克-胶子等离子体）、LHCb（物质-反物质不对称）。

图：宇宙能量构成——可见原子仅约 4.6%，暗物质约 23%，暗能量约 72%。CERN 寻找看不见的 95%。

图：星系自转曲线——实测自转速度（红）向外仍高，由可见质量算出的（蓝）却下降。这一差异是暗物质的主要证据。

研究目标

1) 暗物质——解释为什么星系边缘的恒星转得比由可见质量算出的更快；有些星系团需要多达 400 倍的质量才能维系。它通过引力相互作用，但其余不可见——目前仍是理论构想。

2) 暗能量——解释宇宙越来越快的膨胀；可见物质只占总能量极小一部分。

3) 希格斯理论 / 希格斯粒子——解释粒子的质量从何而来：

• 希格斯场充满整个空间（它无处不在，连「空」的真空里也有）。
• ✎ 机制（形象地）：一个穿过此场运动的粒子，会被场「拖拽」，仿佛要在黏稠糖浆里挤行——这种对加速的阻力正是我们感受到的**（惯性）质量**。
• 粒子与希格斯场作用越强，其质量越大。顶夸克耦合强 → 极重；光子则完全不耦合 → 无质量（因而以光速飞行）。
• 希格斯粒子是这个场的「激发」（如糖浆里的一道波）。它的探测证实了此场确实存在。2012 年在 CERN（ATLAS 与 CMS）被证实。

4) 夸克-胶子等离子体——夸克自由（不被束缚）的状态。极难制造（需巨大能量），但很重要，因为夸克因禁闭（指夸克被「囚禁」：强力随距离增大反而更强，故夸克永远无法单独挣脱——强行拉开时，能量宁可生成一对新夸克）否则无法单独研究。假说：夸克星（介于中子星和黑洞之间，靠泡利原理稳定）——尚未发现。✎ 夸克-胶子等离子体正是大爆炸后最初几微秒整个宇宙所处的状态——ALICE 探测器用铅核（重离子）对撞把它短暂重现，相当于在实验室里回看宇宙的「第一微秒」。

5) 超对称（SUSY）——假设每个玻色子有一个超对称费米子，反之亦然（玻色子 = 整数自旋、力的传递者；费米子 = 半整数自旋、物质）。候选 WIMP（弱相互作用大质量粒子）——只参与弱力 + 引力、质量大；最轻者为 中性伴子（Neutralino）（暗物质的可能成分）。至今未发现 WIMP → 超对称已不再被视为确定。

6) 微型黑洞——弦论（一种理论框架，把所有基本粒子不看作点，而看作极微小的振动「弦」（即 Strings），并试图借此把引力也纳入其中）的检验，比质子还小；寿命约 ${10}^{-26}$ s → 完全无害（经霍金辐射立即蒸发）。

7) 物质-反物质不对称——论证逐步如下：

1. 大爆炸时，按 $E=m{c}^2$，能量应成对产生粒子与反粒子（即两者等量）。
2. 若此后等量相遇，它们会完全湮灭（§10.3）——只剩辐射，没有物质。那将没有恒星、没有地球、没有「我们」。
3. 我们的存在本身证明：必定曾有一份微小的物质过剩。计算出的初始比例是

$$\text{粒子}:\text{反粒子}=({10}^9+1):{10}^9$$

即每十亿个反粒子，就对应十亿零一个粒子。 4. 那十亿对粒子-反粒子湮灭为辐射；微小的剩余（每十亿中多出的那一个）构成了今天所有可见物质。

为何会有这份过剩（自然为何极轻微地偏爱物质），是现代物理的开放问题——CERN 的 LHCb 探测器正研究此事。

✎ 附带一提一个假想粒子：快子（Tachyon）会是一种超光速粒子（$v>c$）。若它存在，就会违反因果律（结果可能先于原因出现）——它从未被发现，也不属于标准模型。