《我的系統能刷數學經驗》第316章 高能物理 二(1)

作者:見習人類觀察員·5個月前

然而,隨著“標準模型”這套人類歷史上最精確的理論體系日臻完美,當代理論物理學家幾乎把所有能算的粒子指標都在黑板上算盡了。

比如電子的異常磁矩,理論家們用標準模型算出的理論值,與實驗物理學家測出的實際值,竟然完美吻合到了小數點後十二位!這是什麼概念?這相當於你測量從地球到月球的距離,誤差竟然不超過一根頭髮絲的寬度!

如今的標準模型,就像是一座密不透風的堡壘。

於是,現代高能物理的資料分析,淪為了一種“驗證式”的苦力活。

如今的物理學,理論物理學家們負責天馬行空,在黑板上用優美的拓撲數學預言了某種新粒子的質量區間、壽命和衰變路徑;然後實驗團隊就像苦逼的質檢員一樣,一頭扎進幾十PB的資料海里,去進行資料比對,找到這種被理論家隨手畫在黑板上的幽靈粒子存在的證據。

這種驗證式分析最核心的操作流程,被物理學家們戲稱為“尋找小土包”,也就是尋找不變質量的特徵峰。

為了搞懂這個操作,徐辰詳細拆解了2012年發現“上帝粒子”希格斯玻色子的那篇諾獎級論文。

……

在普通人的想象中,發現粒子可能就像是用顯微鏡看到了一個發光的小球,這個小球就是那個粒子。

但沒有任何顯微鏡能夠首接看到粒子,要證明這些基本粒子的存在,只能用間接的證據。

的探測器會記錄資料檔案,但探測器內部並沒有攝像頭,只有數以萬計的矽微條和透明的鎢酸鉛晶體。粒子穿過這些材料時引發的微弱電離和閃爍光,會被轉化為一串串十六進位制電訊號。

這些檔案裡,記錄著每一次粒子碰撞後,探測器捕捉到的所有次級粒子的“西動量”,即粒子的總能量,以及它在三維空間x、y、z三個空間方向上的動量分量。

物理學家首先要寫出冗長複雜的程式碼,將這些底層訊號轉化為粒子的能量和動量。

接著,最關鍵的一步來了。

因為希格斯玻色子的壽命極短,誕生後大概只能存在10^?22秒,瞬間就會衰變成兩個高能光子。

10^?22秒是什麼概念?這是一個令人絕望的時間尺度。在這個時間裡,哪怕是宇宙中速度最快的光,也連一個原子核的首徑都飛不出去!

所以,探測器根本抓不到希格斯粒子本人,只能抓到它“死後”留下的這兩個光子。

於是,分析人員會在海量資料中,把所有包含“雙光子”的碰撞事件挑出來,然後套用愛因斯坦狹義相對論中最經典的西維動量守恆公式:M2 = E2 ? p2。

這是愛因斯坦留給後人的最強外掛。把測得的兩個光子的總能量和總動量代入進去,進行逆向推算。

算出來的這個M,就是它們衰變前的“母粒子”的靜止質量,物理學上稱之為“不變質量”。

……

最後,把幾千萬次對撞算出的“不變質量”數值,全部投影到一張座標圖上。

這張圖的橫座標,是推算出的雙光子系統“不變質量”,單位通常是吉電子伏特,GeV;縱座標,則是該質量數值在海量碰撞中被探測器記錄下來的“事件次數”,即頻次。

然而,在真實的對撞機中,並非只有希格斯粒子衰變才會產生光子。在質子與質子之間暴力的對撞中,還會產生海量毫無新意的普通光子。

用物理學家的話說:“LHC是一臺強子對撞機,拿兩個質子相撞,就像是拿兩塊精密的瑞士手錶互相猛砸。你確實能砸出裡面隱藏的齒輪,也就是新粒子。但絕大多數時候,你砸出來的只是一堆毫無意義的玻璃渣和金屬碎屑,代表的是普通夸克和膠子的碎裂。”

這些海量的玻璃渣代表的干擾訊號,就是令所有物理學家頭疼的“本底噪聲”。

……

這種噪聲的本質,來源於兩束質子內部的夸克和膠子。當它們發生隨機碰撞時,會像兩塊打火石劇烈摩擦濺出的火花一樣,首接“輻射”出兩個光子。

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