4100万像素的顶点定位器可能会揭开宇宙中一些最持久的谜团

2022年05月16日 19:34 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

一种全新的探测器建造工作的最后一部分已经完成,开启揭示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。它是由不同机构的部件组装而成的,然后被运往欧洲核子研究中心的大型强子对撞机之家(LHCb)实验。

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一旦及时安装好进行数据采集,它将试图回答以下问题:

为什么宇宙是由物质而不是反物质构成的?

它为什么会存在?

外面还有什么?

新的VELO探测器的开发由英国牵头,科学和技术设施委员会资助,并涉及以下大学:

布里斯托尔

格拉斯哥

利物浦

曼彻斯特

牛津大学

华威大学

暗物质反物质之谜

如果大爆炸产生了等量的物质和反物质,为什么它们没有相互湮灭,而留下了一个只充满光的宇宙?物质是如何生存下来的?

在大爆炸之后的瞬间,宇宙陷入了物质和反物质之间的微妙平衡。

根据我们对自然法则的理解,这些物质形式应该已经相互湮灭,并留下了一个只充满光的宇宙。然而,在所有的困难中,物质以某种方式获得了优势,留下了一些东西,形成了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,物质和反物质是以相等的数量产生的。当它们在早期宇宙(小得多、密度大得多)中接触时,它们所有的组合质量应该被猛烈地转化为纯能量。为什么,以及如何,物质在这次接触中幸存下来,是现代科学中最深刻的谜团之一。

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目前的理论是,尽管物质和反物质被创造成几乎完美的镜像,但一定有一些微小的不平衡,或瑕疵。这意味着有些并不是完美的反射。这种差异,无论多么微小,都可能足以使物质获得优势。这被称为电荷-奇偶性(CP)违反。这意味着,在某些情况下,物质和反物质反射的对称性会被打破。

这导致一个粒子不是其孪生子的完美反面,而这种"破坏的对称性"可能意味着一个粒子可能比另一个有优势。

当这种对称性被打破时,一个反物质粒子可能以不同于其物质对应物的速度衰变。如果在大爆炸之后发生了足够多的这种违反行为,它可能会解释为什么物质会幸存下来。

通过与它们的反物质等价物的不同行为,有可能破坏了对称性的物质粒子只是花了一点时间来衰变。如果这导致物质停留的时间长一点,就可以解释它为什么是最后一个存在的。

暗物质在很大程度上仍然是一个谜--VELO探测器可能有助于解决这个问题。

物质为什么会幸存下来并不是宇宙中唯一的谜团。还有一个问题让科学家们感到困惑:暗物质可能是什么?

暗物质是一种难以捉摸的、不可见的物质类型,它提供"引力胶水",使恒星在星系周围移动。因为我们还不知道暗物质是什么,所以可能宇宙中还有我们尚未看到的其他新粒子和力量。

发现任何新的东西都可能揭示出与我们所拥有的自然界完全不同的画面。像这样的新粒子可以通过巧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探测的痕迹。

新的VELO探测器将取代旧的VELO探测器,将被用来研究包含亚原子粒子的物质和反物质版本的粒子之间的微妙差异。这些被称为美夸克和魅力夸克。

这些含有夸克的奇异粒子,也被称为B和D介子,是在大型强子对撞机(LHC)内的对撞中产生的。它们很难研究,因为介子非常不稳定,在几分之一秒的时间内就会衰变消失。

然而,当它们衰变时,它们实际上会转变为其他东西。科学家们相信,通过研究这些不同的衰变和它们的特性,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探测器将尽可能地靠近LHCb实验中粒子碰撞的地方。这些粒子在不到百万分之一秒的时间内衰变,并且只经过几毫米的距离。因此,这种近距离接触将使该设备有可能获得测量其特性的最佳机会。

VELO的灵敏度和接近LHC的光束将使它能够在粒子衰变时对其进行难以置信的精确测量。

通过将这些读数与标准模型(粒子物理学的指导理论)的预测进行比较,科学家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CP违反或其他物质和反物质行为不同的原因。

这些偏差可能会彻底改变我们对宇宙为什么是这样的理解。

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在旧有的基础上发展

VELO可能是全新的和尖端的,但它将建立在以前的VELO探测器的遗产上。VELO有一个最先进的像素探测器,由硅制小方格组成,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。

它的前身是一排排堆叠的硅探测器,帮助LHCb做出了一些发现,包括:

新的物质状态

美丽夸克衰变以及衰变中尚未解释的行为

魅力夸克以及物质和反物质之间的差异

新的VELO将能够以前所未有的细节捕捉这些衰变。再加上升级后的软件和超快的读出电子装置,将使美丽和魅力夸克得到实时的准确定位。科学家们将拥有一个设备,使他们能够跟踪和分析以前难以重建的衰变。

新的VELO探测器的独特之处在于,科学家们在为碰撞准备粒子束时,可以将其抬出。然后,当LHCb准备好收集数据时,他们可以将它机械地移到原位。

这使科学家们能够从碰撞产生的第一批粒子中捕捉到清晰的信息,而不需要对光束进行不必要的磨损。

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