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回到刀盒的问题
图十九解释了如何通过两个质子的碰撞形成刀核
并且他还告诉我们
这样的每次核聚变都会产生一个反电子
正电子和一个中微子
我们之前提到过
中微子与宇宙中其他粒子的相互作用非常微弱
因为主方程表明
中微子是唯一仅凭弱力传递相互作用的粒子
因此
在太阳核心深处产生的中微子可以毫无阻拦的逃逸出来
它们流向四面八方
其中一些径直朝地球飞来
同样
地球对他们来说也是透明的
他们穿越地球视若无物
但中微子与地球上的原子产生作用的可能性非常小
但还是有的
并且超级神钢实验已经探测到了他们
这一点我们之前提起过
在目前实验的精度范围内
我们能在多大程度上确定标准模型是正确的
多年来
标准模型在世界各地的实验室中经历了严格的测试
我们不用担心科学家会袒护这个理论
事实上
那里进行测试的科学家更希望发现模型的漏洞
并试图去推翻它
抓住新物理的闪光
开启令人眩晕的新天地
展现宇宙内部运作的新观点
这才是他们的梦想
然而
时至今日
标准模型经受住了一次次的测试检验
近来检验标准模型的设备是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机
世界范围内的科学家在那里紧密合作
为了确认或打破这个模型理论
稍后我们会对强子对撞机进行讨论
我们先讨论下它的前身
大型电子
正电子对撞机LEPLEP成功的进行了目前最精密的测试
在日内瓦和几个风景如画的法国村庄下面
它蜷缩在一个长达二十七千米的圆形隧道内
一九八九年到二零零零年间
他对标准模型进行了长达十一年的探索
他用强电场朝一个方向加速电子数
同时朝反方向加速正电子数
粗略的讲
LEP加速带电粒子的过程类似于阴极射线管CRT朝电视机屏幕发射电子产生画面的机制
电子从电视机的背面发射出来
这是老式电视机相当笨重的原因
然后发射出来的电子被电场加速到屏幕上
这个过程中
磁铁使电子数弯曲并覆盖整个屏幕
产生图像
在LEP中
磁场同样被采用了
这里采用磁场是为了将粒子轨道弯成一个圆
让它们沿着隧道的弧线运动
这样做的目的是让两束粒子汇聚到一起
从而使它们迎头相撞
如前所述
电子和正电子相撞
导致两者湮灭
从而它们的质量转化为能量
这样产生的能量引起了LEP物理学的强烈兴趣
因为根据费曼规则
它可以转化为更重的粒子
在LEP运行的第一阶段
电子和正电子的能量值被精确调整
以提高碰撞过程z粒子的生成概率
你可能会翻阅标准模型中的费曼规则表
去确定电子
正电子淹没成z粒子是否是允许的
与其他粒子相比
z粒子实际上是相当重的
它的质量近乎是质子的一百倍
差不多是电子和正电子的二十万倍
因此
电子和正电子必须被加速到零点几倍的光速
才能得到足够产生z粒子的能量
当然了
仅凭囚禁在质量中
并在湮灭时释放出来的能量是远远不够产生z粒子的
设计LEP的初衷很简单
通过电子和正电子反复的碰撞
持续不断的产生z粒子
当粒子数碰撞时
电子数中的一个电子有一定的概率与正电子数中的一个正电子发生湮灭
并产生一个z粒子
通过快速对射粒子数
让电子
正电子湮灭
LEP运行期间
已经生产了超过两千万个z粒子
和其他标准模型的重粒子一样
z粒子也是不稳定的
它的存在稍纵即逝
寿命只有短短的十的负二十五次方秒
图二十一展示了z粒子各种可能的产生过程
这些过程引起了一千五百名LEP物理学家的强烈兴趣
另外
他们还吸引了全球范围内上万名物理学家
他们期待着测试结果
电子和正电子周围环绕着巨型粒子探测器
粒子物理学家利用它捕捉z粒子衰变产生的物质
并对此加以识别
如LEP使用的现代粒子物理探测器有几米宽
几米高
像一个巨大的数码相机
可以追踪穿过它的粒子
和加速器一样
他们也是现代工程的辉煌成就
在教堂般大的空间中
他们能够精确测量单个亚原子粒子的动量和能量
他们不愧是当今工程能力的巅峰
是我们探索宇宙运行规律的丰碑
有了探测器和高性能计算机的帮助
科学家下一个目标是制定一个简单策略
他们需要对数据进行筛选
识别产生z粒子的碰撞
然后确定每次碰撞过程中
z粒子是如何衰变的
有时它会衰变产生一对电子
正电子
有时会产生一对夸克
反夸克
或者是一对谬子
反谬子
科学家的工作是记录标准模型预测的z粒子每种可能机制的次数
并将结果与理论预测值进行对比
手上有了两千万个z粒子的探测数据
他们能够对标准模型进行严格的检验
结果表明理论很完美
这个测试被称为分宽度测试
是LEP检验标准模型一种最重要的测试
此外
LEP还进行了许多其他测试
这些测试都表明标准模型理论是可行的
直到两千年
LEP在被最终关闭时
它的超精确数据使得标准模型的检测精度达到了百分之零点一
在离开检验标准模型这一话题之前
我们忍不住讲另一个例子
它来自完全不同的实验
电子和许多基本粒子一样
就像微小的磁铁
一些非常精妙的实验被设计出来
检测这类磁效应
这不是大型对撞机实验
没有物质和反物质的剧烈碰撞
取而代之的是一些精妙实验
能够测量到万亿分之一的磁性
精度非常惊人
这相当于用头发丝直径的精度去测量伦敦到纽约的距离
表面上看起来
这不够惊艳
因为理论物理学家们也付出了辛苦的劳作
他们计算了同样的事情
像这样的计算
过去只需要用笔和纸
但现在连理论物理学家也需要一台好电脑
然而
理论学家从标准模型出发
带着清醒的头脑对模型的预测进行了计算
结果与实验值完全吻合
时至今日
理论和实验能够在一亿分之一量级上吻合
这是自然科学中对理论最精确的检验
多亏了LEP和电子磁学实验
目前我们非常确信粒子物理标准模型是正确的
这个万物理论状态良好
但是还要排除最后一个细节
一个比较大的问题
主方程的最后两行是什么
我们刚才隐藏了一条重要信息
这对本书探索的核心问题非常重要
现在是拿出来的时候了
根据规则对称性的要求
标准模型中的所有粒子都没有质量
这是完全错的
物体拥有质量
不需要复杂的科学实验就可以证明
我们花了将近整本书来思考质量的问题
我们推导出了物理学中最著名的方程e等于MC平方
它里面就有一个m
主方程的最后两行
就是解决质量问题的
解决了方程的最后两行
有关质量的起源问题
我们将有一个解释
这本书的探索旅程也将完成
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