宇宙射线渺子的穿透力有意想不到的用处。几年前,报纸刊登过埃及胡夫金字塔内发现密室的新闻。这一消息引起了轰动,特别是其中寻找密室的技术,不靠印第安纳·琼斯式的冒险,也不靠走密道,考古学家和科学家运用了渺子成像技术,也就是利用穿过金字塔的渺子流来给金字塔拍片,就好像我们在医院里使X射线穿过我们身体进行CT扫描一样。如果被穿过的物体不均质、有空洞而导致局部密度较小,那渺子与这部分的相互作用也少,这样就可以按粒子流的变化形成一个图像。用来扫描金字塔内部的这项技术也被用于其他研究,比如给大型火山的岩浆室成像。
渺子的平均寿命可以拉长这一点,催生了最近的渺子加速器计划。这种机器的优势非常大。渺子的撞击非常“干净”,因为它和电子一样是点粒子,但它又可以达到非常高的能级,可被加速到几十TeV而没有显著辐射,就和质子一样。另一个不可忽略的优点是其加速环轨可以比未来环形对撞机(FutureCircularCollider,缩写为FCC)等巨型设备小得多,一个渺子加速器可以被安置在更小的隧道中,从而节省很多磁力和基建成本。
为了使渺子的寿命足够长,以便注入加速器中使其循环、碰撞,需要设计一个预加速阶段,来让渺子的能级达到几十GeV,这就足以将其平均寿命延长几百倍。
建造这种“梦想加速器”的主要难题是如何产生大量适合放进对撞机加速的渺子。现在至少有好几项研究正在寻找合适的技术方案,如果能够取得成功,很快就会在加速器领域开辟一条新路径,届时,渺子加速器将和传统的电子加速器、质子加速器并肩而立。
夸克的美丽、璀璨和羞怯
我们给b和c两种重夸克取了非常直观的名字:b(beauty),美夸克;c(charm),粲夸克。它们也是不稳定的,和渺子一样会通过弱相互作用衰变,但它们的平均寿命比渺子要短得多,一般在10-12秒到10-13秒之间。这个时间短到连最精细的时钟都很难度量出来。这一次,又是时间的相对论性拉伸拯救了我们。
这两种夸克比较重,粲夸克的质量大约相当于1.3GeV,美夸克的质量则可达4GeV以上,它们各自都比质子还重。它们和其他夸克组合成的物质状态更重,也更不稳定。由于它们的质量很大,将它们加速到接近光速很不容易,不像电子和渺子那样很快能做到。不过,用现代粒子加速器将粲夸克和美夸克的质量增加到几十GeV还是不难实现的。
为了测量粲夸克和美夸克的平均寿命这样短的时间,我们要从时间转向空间,也就是说,我们要测量粒子在衰变为次生粒子之前以光速走过了多少距离。夸克诞生时“赤身**”,但是我们无法看到它的这种状态,“强相互作用禁闭”使我们无法将它们作为单个夸克来研究。由于夸克带色荷,所以会参与强相互作用,而强力让它们立刻结合,仿佛光着身子很害羞,生怕别人瞥见自己最隐秘的样子一样。它们从高能碰撞中诞生后立刻就会聚合,变得更规整、更复杂,但只要新粒子衰变了,它们的存在也就显露无遗了。如果发现了只属于粲夸克和美夸克的平均寿命,那也就有无可辩驳的证据证明在表面之下隐藏着这两种夸克。
真正的挑战在于找到“次级顶点”。我们能以不错的精度知道粒子流相撞点,而且撞击(比如LHC中两质子相撞)产生新粒子的点——“初级顶点”也可以通过撞击区域电痕迹的交叉来确定。同样,我们可以通过衰变区电痕迹的交汇来确定“次级顶点”,也就是美夸克衰变并放出一场“烟花”的那个点,这样便可通过次级顶点与初级顶点的距离,间接测得美夸克的平均寿命。
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