批驳物教育学家是份如何的劳作,发明用大型强

2019-11-04 08:35栏目:奥门新萄京娱乐场
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(玛雅蓝/编译)我从小就想当一名物理学家。当然,那时候我并不真的清楚物理学家具体是做什么的。我只知道书上说的,太阳很大,但我们的星系中还有很多星星比它大许多;世界上各种大不相同的东西都只由少数几种微小到难以想象的原子组成,而组成原子的东西还更小;时间不仅能追溯到金字塔的建造之前,还能追溯到我们这个物种、我们的星球、我们的星系诞生之前。对于一个容易入迷的孩子来说,研究这些东西似乎确实是件很不错的事。

现在已经确定了希格斯玻色子,大型强子对撞机的科学家们已经把目光投向了一个更加难以捉摸的目标。我们周围到处都是暗物质和暗能量:一种将星系“捆绑”在一起的无形物质,但没有人能够直接探测到。芝加哥大学(University of Chicago)物理学教授王连涛研究如何在大型粒子加速器中找到信号。王连涛教授以及来自芝加哥大学和隶属于芝加哥大学的费米实验室科学家们,认为他们可能能够带领我们找到踪迹。

物理学家以各不相同的方式进入这个领域,但我们都或多或少地体会过那种惊奇感,那是驱使我们完成十年正式大学教育的动力。你在读博期间进行的原创研究,可以说在某种程度上为你接下来三到十年在各种机构的博士后研究工作打下了基础。这些机构的邀约都只有几年,薪水不多,而且难如登天。你必须证明自己作为一个独立研究员的能力,基本上就是得把工作放得比一切别的东西都优先。我就是个博士后,正努力让自己往积极的结果想——获得作为教授的终身教职,虽然那是极少数人才能够达到的成就。只有获得这样一个职位,你才有希望真正把物理学研究作为你的终身事业。

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作为一个高能物理理论学家,我试图在我们的理解范围内尽可能地探索万物最基本的规律。这涉及到比原子核更小的尺度内发生的现象,可以通过在大型实验设备(如瑞士的大型强子加速器)内撞击质子和电子来做实验探测。由于宇宙初始状态比这要小得多,我们的理论还会涉猎对大爆炸的研究,它留下的痕迹可以用功能强大的望远镜来识别。一些最激动人心的理论或物理场景在很长时间内都无法通过实验展现,也许永远不能。

发表在《物理评论快报》上的一篇论文中,他们提出了一种利用潜在粒子略慢的速度跟踪大型强子对撞机暗物质的创新方法。虽然暗物质和暗能量占了宇宙的95%以上,但科学家们只从它的影响中知道它存在——就像一个爱捣乱的人,你只能看到它把架子上的东西推开。例如,我们知道暗物质的存在,因为我们可以看到重力作用在暗物质上,这有助于束缚星系飞离。理论学家认为有一种特殊的暗粒子只偶尔与正常物质发生相互作用,比其他已知粒子更重,寿命更长,寿命可达0.1秒。

实际上,我的工作中也有一些部分和我儿时的设想大致相同。我们研究那些描述亚原子世界某些方面(比如暗物质或希格斯玻色子)的理论。有时候,也会提出新的理论。我们推算理论的预测,希望它们能够很快得到验证。这些工作通常由两个人到五个人合作完成。

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图片 3“我们研究那些描述亚原子世界某些方面(比如暗物质或希格斯玻色子)的理论。有时候,也会提出新的理论。”绘画者:Michael Driver

研究人员相信,这种粒子在10年内会有几次被大型强子对撞机不断制造和测量的质子碰撞所捕获。一个特别有趣的可能性是,这些长寿的暗粒子以某种方式与希格斯玻色子耦合,希格斯粒子实际上有可能衰变为这些长寿粒子。唯一的问题是把这些事件从其他事件中分离出来;在27公里的大型强子对撞机中,每秒有超过10亿次碰撞,每一次都向四面八方发射亚原子箔条。王连涛教授、芝加哥大学博士后研究员刘佳和费米实验室的科学家刘震(现就职于马里兰大学)提出了一种新方法来探索这种暗粒子的一个特定方面。

实际工作一部分是用纸笔完成的,尤其是要形式化地理解某个数学模型或者物理机制的时候。至于细致的计算部分,我们一般编写程序并在笔记本电脑或超级计算机上运行。在摸索前行的过程中,还要跟合作者开上许多会议和视频会议;而一旦发现了有价值的东西,我们就会一起写一篇论文。一般来说,每个人每年会参与写作几篇论文,但这个数字各有不同,区别很大。

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这项工作的其他部分则有点出人意料。它需要的社交量有点难以置信:我们常常聚在一起聊天,比如在黑板前,在咖啡机旁边,或者在艰苦的远足旅途中,那是许多新想法诞生的地方。这是当一名理论物理学家的意外惊喜之一,但伴随而来的还有举行研讨会和参加会议所需的大量旅行。每年出差十几次简直稀松平常,这让你筋疲力尽。我们要花大量的时间对他人展示自己的研究成果,因此一定的演讲技巧和个人魅力对成就会起到不小的作用。有人觉得这是一个负担,但也有人很享受这种好好展示自己的机会,比如我。

如果它有那么重,它需要能量来产生,所以它的动量不会很大——它的移动速度会比光速慢。这个时间延迟会把它和其他正常粒子区分开来,科学家只需要调整系统来寻找产生的粒子,然后比其他物质衰变得慢一点。两者之间差别在十亿分之一秒或更小的纳米级,但是大型强子对撞机已经拥有足够精密的探测器来捕捉这种差异;新研究使用了上次运行中收集的数据,发现该方法应该可以工作,而且作为目前正在进行升级的一部分,探测器将变得更加灵敏。

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