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希望回答终极存在问题的设备

导读 全新探测器的最后一块已经完成了解开宇宙中一些最持久之谜的旅程的第一站。4100 万像素的顶点定位器 (VELO) 是在利物浦大学组装的。它是...

全新探测器的最后一块已经完成了解开宇宙中一些最持久之谜的旅程的第一站。

4100 万像素的顶点定位器 (VELO) 是在利物浦大学组装的。它是由不同研究所制造的组件组装而成,然后在欧洲核子研究中心 (CERN) 的大型强子对撞机 (LHCb) 实验中返回家园。

一旦及时安装以进行数据采集,它将尝试回答以下问题:

为什么宇宙是由物质而不是反物质构成的?

为什么它存在?

还有什么?

在空间和时间的黎明的微妙平衡

在大爆炸之后的瞬间,宇宙处于物质和反物质之间的良好平衡中。

根据我们对自然规律的理解,这些物质形式应该相互湮灭,留下一个只有光的宇宙。然而,无论如何,物质以某种方式获得了优势,留下了一些东西来形成我们今天所知道的宇宙。

我们对大爆炸物理学的最佳理解告诉我们,物质和反物质是等量产生的。当他们在(更小、更密集的)早期宇宙中接触时,他们所有的组合质量都应该被剧烈地转化为纯能量。物质为什么以及如何在这次相遇中幸存下来是现代科学中最深刻的谜团之一。

目前的理论是,尽管物质和反物质被创造为几乎完美的镜像,但肯定存在一些微小的失衡或瑕疵。这意味着有些不是完美的反射。这种差异,无论多么微小,都可能足以让物质占据优势。

透过镜子

科学家们已经在镜子中发现了一个小裂缝,称为电荷奇偶校验 (CP) 违规。这意味着,在某些情况下,物质和反物质反射的对称性被打破。

这导致一个粒子与其孪生粒子并非完全相反,这种“破坏对称性”可能意味着一个粒子可能比另一个粒子具有优势。

当这种对称性被打破时,反物质粒子可能会以与其对应的物质不同的速率衰变。如果在大爆炸之后发生了足够多的这些违规行为,它或许可以解释为什么物质能够幸存下来。

通过与它们的反物质等效物表现不同,对称性破坏的物质粒子可能只需要更长的时间就可以衰变。如果这导致物质停留的时间更长一点,它可以解释它是如何成为最后一个存在的。

深不见底

为什么物质能幸存下来并不是宇宙中唯一的谜团。还有一个令科学家感到困惑的问题:暗物质可能是什么?

暗物质是一种难以捉摸、不可见的物质,它提供引力胶水以保持恒星在星系周围移动。因为我们还不知道暗物质是什么,宇宙中可能还有其他我们还没有看到的新粒子和力量。

发现任何新事物都可能揭示出与我们所拥有的完全不同的自然图景。像这样的新粒子可以通过微妙地改变我们可以看到的粒子的行为方式来宣布自己,在我们的数据中留下微小但可检测的痕迹。

VELO的美丽与魅力

新的 VELO 探测器将取代旧的 VELO 探测器,将用于研究包含亚原子粒子的物质和反物质版本之间的细微差异。这些被称为美夸克和魅力夸克。

这些奇异的含有夸克的粒子,也称为 B 和 D 介子,是在大型强子对撞机 (LHC) 内的碰撞过程中产生的。它们很难研究,因为介子非常不稳定,并且会在几分之一秒内衰变不存在。

然而,当它们衰变时,它们实际上会变成其他东西。科学家们认为,通过研究这些不同的衰变及其特性,VELO 数据将帮助 LHCb 揭示自然界的基本力量和对称性。

令人难以置信的精确测量

新的 VELO 探测器将尽可能靠近 LHCb 实验中粒子碰撞的位置。这些粒子在不到百万分之一秒内衰变,并且仅传播几毫米。因此,这种紧密的接近度将为设备提供测量其特性的最佳机会。

VELO 的灵敏度和与大型强子对撞机光束的接近度将使其能够在粒子衰变时对其进行极其精确的测量。

通过将这些读数与标准模型(粒子物理学的指导理论)所做的预测进行比较,科学家们可以寻找可能暗示自然界中新粒子的偏差。他们还可以寻找物质和反物质行为不同的 CP 违规或其他原因。

这些偏差可能会彻底改变我们对宇宙为何如此的理解。

建立在旧的遗产之上

VELO 可能是全新的和尖端的,但它将建立在以前的 VELO 探测器的遗产之上。VELO 拥有最先进的像素探测器,由微小的硅网格组成,即使在 LHC 光束附近具有挑战性的辐射环境中也能提供高分辨率。

它的前身凭借其堆叠的硅探测器系列帮助 LHCb 进行了发现,包括:

新的物质状态。

极其罕见的美夸克衰变。

物质和反物质粲夸克的区别。

美夸克衰变中尚未解释的行为的第一个有趣迹象。

粒子行为一瞥

英国 VELO 项目负责人、来自利物浦大学的 Themis Bowcock 教授说:“旧 VELO 探测器捕获的数据让我们对粒子行为有了非常诱人的一瞥。为了取得进展,我们需要把它变成一个非常彻底的取证“ _

前所未有的细节

新的 VELO 将能够以前所未有的细节捕捉这些衰减。

将此与升级的软件和超快速读出电子设备相结合,可以实时精确定位美夸克和魅力夸克。科学家们将拥有一种设备,使他们能够跟踪和分析以前难以重建的衰变。

新 VELO探测器的独特之处还在于,科学家可以在准备粒子束进行碰撞时将其移开。然后,当 LHCb 准备好收集数据时,他们可以将其机械地移动到位。

这使科学家能够从碰撞辐射的第一个粒子中捕获清晰的信息,而不会对光束造成不必要的磨损。

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