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1700952835 泡利将这种假想的粒子命名为“中子”,该名称此后还被用于其他方面,也即,命名处在核子中的质子的电中性伙伴。故此,意大利物理学家恩里科·费米(Enrico Fermi,发展了弱相互作用理论,最有名的是设计了世界上首个核反应堆)给此粒子起了一个可爱的名字——“中微子”,在意大利语中是“小中子”的意思。当然中微子不是个头小的中子,但是它像中子一样不带电,并且中微子比中子轻了太多。
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1700952837 与其他标准模型的粒子类似,存在三种中微子。每一种带电轻子(电子、μ子和τ子)都有一种通过弱相互作用力来相互作用的中微子。[56] 我们已经知道如何发现电子、μ子与τ子。剩下的实验问题是实验物理学家如何发现中微子。因为中微子不带电荷而且耦合很弱,所以当它们离开探测器时,它们根本不会留下任何轨迹。大型强子对撞机的人要怎样知道它们在哪里?
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1700952839 动量(当粒子缓慢运动时等于速度乘以质量;粒子以接近光速运动时,更像能量在特定方向的移动)在各个方向守恒。与能量相同,我们从未发现任何证据来表明动量可以缺失。所以,如果探测器中测到的粒子动量小于进入探测器的动量,那么一个其他粒子(或者多个粒子)必定已经逃离,而且在此过程中带走了缺失的动量。这种逻辑导致泡利在第一时间(当时是在核衰变的β衰变中)推断出中微子的存在性,这也是现今我们如何知道看似不可见的弱相互作用粒子的存在性的逻辑。
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1700952841 在强子对撞中,实验物理学家会测量所有与粒子束相垂直的动量,并且计算是否有缺失的部分。他们关注于垂直方向,因为大量的动量被粒子沿着粒子束管道方向带走,所以在该方向上太难追踪。而垂直于初始质子的动量方向则容易测量和考虑得多。既然对撞前垂直于粒子束方向的总动量本质上为零,那么对撞后也应如此。因此如果测量与预期不同,实验物理学家就可以“测到”有物质缺失。剩下的问题是如何区分这些是哪种不参与相互作用的可能粒子。对于标准模型过程,我们知道中微子是不可探测的元素的其中一种。基于我们接下来要简单介绍的中微子已知的弱相互作用力,物理学家计算和预测了中微子的产生速率。而且,物理学家已经知道W玻色子的衰变应该如何,例如衰变得到的孤立电子或者μ子的横向动量带有相当于W玻色子一半质量的能量,这是相当独特的。所以使用动量守恒与理论输入,中微子可以被“找到”。显然,这些粒子的定义标签比我们可以直接看到那些粒子的少。只有理论的考虑与缺失能量的测量相结合,才可以告诉我们会有什么。
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1700952843 我们在考虑新发现时保持这样的想法很重要。相似的考虑也适用于其他不带电或者所带电量低到无法被直接检测的新粒子上。只有一个将缺失能量与理论输入综合起来的考虑可以用来推断会存在什么。这就是为什么密闭性(检测尽可能多的动量)如此重要。
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1700952845 发现强子
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1700952847 我们已经考虑了轻子(电子、μ子与τ子以及它们伴随的中微子)。标准模型中其余类别的粒子被命名为强子,即相互作用为强相互作用力的粒子。这个类别包含了所有由夸克与胶子组成的粒子,例如质子、中子以及其他被称为π子的粒子。强子也有内部结构——它们是夸克与胶子通过强相互作用力结合起来的束缚态。
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1700952849 然而标准模型没有列出许多可能的束缚态。它列出的是更基本的由夸克与胶子束缚成的强子态。除了处于质子与中子内的上夸克与下夸克,重的夸克称为粲夸克、奇异夸克、顶夸克以及底夸克。与带电和中性的轻子一样,重夸克与它们较轻的伙伴——上夸克和下夸克带有相同的电荷。重夸克在自然界中不易被发现。对撞机也需要研究它们。
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1700952851 强子(通过强相互作用力耦合的粒子)与轻子(不参与强相互作用力的粒子)在粒子对撞机中看起来非常不同。这主要因为是夸克和胶子有强相互作用力,它们从来不会单独出现。它们总是在可能包含初始粒子的喷射流中,但同时还包含了参与强相互作用力的其他粒子。喷射流不是只包含单个粒子,而是包含对初始粒子形成一层“防护”的强耦合粒子流,可以从图14-2中看到。
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1700952853 强相互作用力将在第一时间从引发喷射流的夸克与胶子之中产生许多新夸克与胶子,即使初始事件中并不包含它们。质子对撞产生大量喷射流,因为质子本身是由强相互作用力的粒子组成的。这些粒子会产生许多附加的强相互作用力的粒子流,这些粒子流会伴随它们一起运动。它们有时产生的夸克与胶子会沿着不同的方向飞离,并构成它们自己独立的喷射流。
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1700952855 我在《弯曲的旅行》一书中所引用的电影《西区故事》(WestSide Story )中的《喷射机帮派之歌》(Jet Song )[57] 把强子喷射流描述得很好:
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1700952860 图14-2 喷射流是环绕着夸克和胶子的强相互作用力粒子流。这张图片显示了它们在追踪器和强子量能器中的检测。(感谢CERN友情提供图片)
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1700952862 你从不孤单,
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1700952864 你从不会被疏远!
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1700952866 即便你独自守候,
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1700952868 只要呼唤陪伴,
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1700952870 必有人到你身边誓死保护你!
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1700952872 You’re never alone,
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1700952874 You’re never disconnected!
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1700952876 You’re home with your own:
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1700952878 When company’s expected,
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1700952880 You’re well protected!
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1700952882 单独的夸克(以及许多“帮派”成员)不会被发现,不过在一群相关的强相互作用力粒子中会被发现。
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1700952884 喷射流通常留下可见轨迹,因为喷射流中的一些粒子是带电的。当一个喷射流到达量能器,它将能量沉积下来。细致的实验研究、分析与计算机计算帮助实验物理学家在第一时间推导出产生喷射流的强子的性质。虽然如此,强相互作用力与喷射流使得夸克与胶子的测量非常巧妙。你不需要探测夸克与胶子本身,而是它们所处的喷射流。这使得绝大多数夸克和胶子流无法与其他流区分开。它们都沉积了很多能量并且留下许多轨迹(图14-3所示为探测器如何确认标准模型的关键粒子)。
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