粒子物理探测器设计 王贻芳院士有什么学术成就？奠定了[繁体：瞭]哪些基础理论？

王贻芳院士有什么学术成就？奠定了哪些基础理论？王院士其实是资质相对平庸的学者类科学家，并非是有过人天才级的人物，这可以从其学历看出来的，他从小学到中学再到大学都不拔尖，且都在其老家南京，南大虽也算不错

王贻芳院士有什么学术成就？奠定了哪些基础理论？

虚粒子是什么？能探测到吗？

先说结论：所谓虚粒子其实是为了摆平量子力学中的一些方程式，而假想出来的一些虚构粒子，运用这种概念，科学家们可以采用间接方式探测新粒子和新物理。

我[读：wǒ]们先来了解一下 LHC 的结构。总的来说，它由三个部分组成。

第一个部分就是最为壮观的粒子《拼音：zi》加速环，或者叫粒子加速[练：sù]管道：在一条长达 27 公里、接近于完美的【拼音：de】圆形隧道中，平行放置了两条真空管道，管道被超导磁铁包裹着，用液氦冷却到接近绝对零度。

为什么要有两条管道呢？因为质《繁：質》子束在两条管道中被分别加速，一束质子zi 顺时针运动，一束质子逆时针（繁体：針）运动，这样才能实现迎头相撞的效果；

第二个部分是碰撞点，在 27 公里长的环(繁：環)形管道上，设置了一共四个碰撞点[繁：點]；

第三个部分就是探测器，这是 LHC 最为核心【xīn】的部件，一共有 7 大实（繁体：實）验探测器。

其中，最为公众所熟知的探测器就是简称为 ATLAS 的探测器，它的中文{读：wén}全称叫“超环面仪器”，这是一部巨大的机器，整体是一个圆筒形的造型，长达 44 米，圆面（读：miàn）直径 25 米，重达 7000 吨，把两架载客人数 150 人左右的波音 737 客机塞进去都没问题。

2012 年宣布发现的上帝粒子就皇冠体育是这个探测[繁体：測]器发现的，所以很出名。

还有一个非fēi 常出名的探测叫 CMS，中文全称叫“紧凑 μ 子线[繁体：線]圈”，这也是一个圆筒形结构的探测器，长约 21 米，直径约 16 米，尺寸要比 ATLAS 小得多，但是重量却达到了惊人的 12500 吨，这是因为它的零部件设计得特别紧凑，因此被叫做紧凑 μ 子线圈。

ATLAS 和 CMS 是 LHC 的明星探{练：tàn}测器，媒体曝光率最高，事实上它们确实是寻找新粒子竞赛中极为重要的两个选手。但是，这并不是说其他[读：tā]选手就没有了夺冠的可能，其实 LHC 的 7 个{练：gè}探测器，哪一个都不是吃素的。

今天我要给{繁：給}大家重点介绍的就是 LHCb 实验，中文全称叫：大型强子对(繁体：對)撞机底夸克实验，这个实验用到的探测器就是 LHCb 探测器，它的体形和名气都比 ATLAS 和 CMS 要小一些，但没有人敢轻视它，它也为这（繁：這）场寻找新粒子的竞赛带来了更多的不确定性。

要了解什么是 LHCb 实验，咱们还得从标准模型开始讲起，这是目前理论物理界对已知粒子如何产生以{练：yǐ}及如何相互作用的一个最佳理论。可以说，它取得了巨大的成功，解释了绝大部分微观世(练：shì)界的现象，所做出的预（繁：預）言也在非常高的精度上得到了验证。

总的来说，它把基本粒子划分为夸克（繁：剋）和轻子。

夸克有 6 种，又分为 3 组，物理学家习惯称为 3“代(练：dài)”：

• 上夸克和下夸克为第一代，

• 粲夸克和奇夸克为第二代，

  

• 底夸克和顶夸克为第三代。

我们继续讲标准模型。在自然界中，我《pinyin：wǒ》们从未观测到孤立的夸克，它们总是组合成所谓的强子态。所以，粒子物理《拼音：lǐ》学中所称的“底强子”就是包含底夸克的粒子。

与夸【kuā】克类似，轻子也分为三代：

• 电子和电子中微子，

• μ子和μ中微子，

• τ子和τ中微子。

作用在这些粒子上的力包括电磁力、弱作用力和强作用力，但是并不包(读：bāo)括万有引力，因为在亚原子层(繁：層)次上引力的效应小到可以忽略不计。每种作用（练：yòng）力都需要额外的粒子来传递：例如，

• 光子传递电磁力，

• W 玻色子和 Z 玻色子传递弱作用力。

  

• 在所有这些粒子之外，还有希格斯玻色子，它代表的是一种为某些粒子赋予质量的基本场。

在宇观尺度上有一些标准模型xíng 无法解释的问题。例如，宇宙大爆炸时正反物质应该是等量诞生的，为什澳门新葡京么现在宇宙却几乎完全由正物质组成？

此外，标准模型也无法解释暗物质的本质。尽管看不到宇宙中这些额外（读：wài）的质量，但我们知道暗物质肯定存在。我们观测到的恒星和星系运动，就是在它们的驱动下进行的。事实上，标准模型并不包含万有引力这个在大尺度下起主导作用的力，迄今为止，所有试图将万有引力【lì】纳入标准模型框架的尝试均以失败告终。

而即使是已知的亚原子粒子世界，也还有很多未解之（读：zhī）谜。

• 希格斯玻色子的质量恰好略高于 W 和 Z 玻色子，然而标准模型认为它的质量应当是后者的万万亿倍。

• 把基本粒子分成三代也显得特别生硬，因为三代基本粒子除了质量等级差异很大之外，其他性质几乎完全相同，就好像是自己的复制品一样。

当两个质子在对撞机中撞得粉身碎骨时，释放出的高度集中的能量可凝结成chéng 与对（繁：對）撞质子完全不同的粒子，例如包含底夸克的粒子，这就是 LHCb 实验要寻找的底强子。底强子寿命很短，在它衰变成几个较轻的粒子之前，通常仅能向前飞行 1 厘米左右的距离。

为了探测到它们，LHCb 有一些专为研究底强子的物理性质而量身打造的独家秘技《读：jì》。例如，LHCb在距离大型强子对撞机粒子束流仅 8 毫米的位置放置了一个硅[读：guī]微条探测器。

LHCb 还有一套被称为环形[读：xíng]成像切【读：qiè】伦科夫计数器的独特系统，能够对底强子衰变产物发出的光进行模式识别，从而鉴别这些衰变产物都是些什《拼音：shén》么粒子。

在大型强子对撞机第一阶段运行期间，也就[读：jiù]是 2010 到 2012 年间，在 LHCb 探测器中产生了大约 1 万亿个底强子。这些粒子的衰变方式很多，其中某些衰变方式尤其令人感兴趣，因为这些衰变方式无法用标准模型解释，而这种无法被现有理论解《拼音：jiě》释的新发现，就有可能成为“新物理学”的路标。

对于新物理理论的可能形式，理论物{练：wù}理学家提出了很多不同的假说，但其中多数理（练：lǐ）论都需要引入比已知粒子更重的新粒子{练：zi}。

之所以说大型强子对撞机是寻找新物理的理想平台，很重要的一个原因就在《pinyin：zài》于这些预言的新[读：xīn]粒子很重。重到什么程度呢？

这些[拼音：xiē]粒子的有效质量可高达数万亿电子伏。这个电子伏是一个能量单位，并不是一个质量单位。但是在高能物理学中，通常都是用能量单位来表示质量的，因为质量和能量其实是可以相互转换的。1 电子伏的定义就是 1 个电[繁：電]子在经过了 1 伏特的电位差之后所获得的动能。几万亿电子伏是个什么概念呢？

根据我在维基百科查到的数据，核爆中带电粒子的能量范围娱乐城大约也就是 3 万 到 300 万电子伏，一个质子的质量如果全部转换成能量的话，大约是 9 亿电子伏[pinyin：fú]，希格斯玻色子大约是 1250 亿电子伏。

如果这些预言中的大质量(liàng)粒子存在，它们衰(读：shuāi)变时会产生非常特殊的信号，ATLAS 和 CMS 实验的设计目的就通过此类信号直接寻找这些粒子。不过，寻找新物理另有捷径，或者说更巧妙的办法。新粒子的“虚粒子”效应会影响标准模型粒子的衰{练：shuāi}变，我们可以通过这种效应探测到这些新粒子。

那么[澳门永利繁：麼]，什么是“虚粒子”呢？

这个概念听上去很奇幻，它是量子力学中的奇妙特性，已经不止一次地正确《繁：確》预言了很多《练：duō》物理过guò 程。

当然，要把虚粒子《拼音：zi》的概念讲清楚，不但要借助费曼图，而且还不可避免地要用到满是希腊字母和各种符号的奇怪公式【读：shì】，这绝不是三言两语就能够说清楚的。

我这里只{练：zhǐ}讲一个大致的(拼音：de)概念，所谓虚粒子其实就是为了摆平量子力学中的一些方程式，而假想出来的一些《xiē》虚构粒子。

这些虚构（繁体：構）的粒子往往具有【读：yǒu】负的质量和能量，听上去很不可思议。质量和能量怎么可能是负的呢？唉，量子力学中的不确《繁：確》定性原理就允许这种负能量存在。

在物理学中，把真空的能量定义为零，这就好像我们把海平面定义为零海拔一样。但真空并{练：bìng}不是完全没有能量，比真空更低的能量就是负值。或者你也可以这样理解，一个虚粒子可以向真空中借能量，从原本什么也没有的虚空中，突然借得能量，然后马上又归还，这个过程要符合不确定性原理，借得的(de)能量越大，则归还的时间就越短，反之则越长，时间和能量的乘积是一个常数。

所以啊，有些书上把真空看成是沸腾的海洋，能量不断地凭空产生又凭空消失，好不热闹。虽然，这听上去更像是一个纯数学手段，就好像为了回答什[拼音：shén]么数字的平方会是负数一样，数学家生生造出了虚数的概念。但是，它却很管用，在过去的几十年中，物理学家们用这个方法发现了很《读：hěn》多新东西，例如，正是利用虚粒子的概念，物理学家们首次预言了粲夸克和顶夸克的存在，并且正确估算了它们的质量。

LHCb 采用间接方式探测新粒子和新物理的策略，其背后的指导原则正是虚粒子概念。由于这些新粒子仅以虚粒子的形式参与我们测量的所有衰变，我们能探测到的粒子的质量就不受限于加速器所能达到的能量。原则上，如果对合适的衰变过程进行足够精确的测量，我们就可以探测到超出 ATLAS 和 CMS 极限的大质量粒子的效应。这些粒子质量太大，不可能在 LHC 中直接产生，更别提探测了。

现在(zài)，科学家们已经发现了一些迹象，表明标准模型对底强子衰变的描述并不总是与实验测量完全相符。这些线索来自多种测量，但拥有某些共同特征。在得到更多数据，对理论有{练：yǒu}了更加充分的理解后，我们也可能认识到标准模型实际上与我们的观测符合得很好。即便如此，先前的这些线索也会展现出标准模型大厦上的裂痕是如何不断扩大、愈演愈烈的。

现在（练：zài），物理学家们正在分析大型强子对撞机二期运行采集的新数据，那些与标准模型预言的偏差的显著性要么继续提升，从而使这些异常现象变(繁体：變)成物理学中最重大的新闻，要么烟消云散，探索之旅将继续下去。我们还需要一些耐心，让人类中那些最优秀的大脑折腾去吧，我们在这里为他们加油呐喊。

假如某个反常的现（繁：現）象从“有趣的迹(繁体：跡)象”变《繁体：變》成了“与标准模型有明显冲突”，这将意味着什么呢？

显然，这将是粒子物理领域近几十年来最重要的进展，它为我们打开了一扇窗户，世界杯窗外的美景一直被隐藏在我们此前所理解的宇{练：yǔ}宙规律背后。

那时，我们需要找出（读：chū）到底是什么打破了标准模型。新粒子的效应按理说也会出现在其他底强子的衰变过程中，从而为我们提供更多的线索。不管未来结果如何，不可否认的是，LHCb 探测器拥有极高的灵敏度，而且在未来几年还有望[练：wàng]得到显著改进。

我们不知道《dào》间接寻找新(拼音：xīn)物理的道路是捷径还是弯路，但是有很多物理学家坚信他们正朝着正确的方向前进。毕竟，指导我们的是伽利略的格言：“可测者，测之；不可测者，使之可测”。

对 LHCb 而言，没有比这更为恰当的箴言{yán}了。

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