質(zhì)子內(nèi)部其實(shí)是空蕩蕩的 ， 我們想象中的那種碰撞從未發(fā)生 。
大型強(qiáng)子對撞機(jī)（Large Hadron Collider）確實(shí)很龐大 ， 它的周長有17英里（約27.3千米） ， 是這個(gè)星球上最大的對撞機(jī) 。 但是它名字后部分有一定的誤導(dǎo)性 。 這是因?yàn)樵贚HC中對撞的只是強(qiáng)子內(nèi)部很小的部分 ， 而不是強(qiáng)子本身 。
強(qiáng)子是由夸克和膠子組成的復(fù)合粒子 。 其中膠子傳遞著強(qiáng)相互作用力 ， 讓夸克緊緊地粘在一起 ， 形成單個(gè)粒子 。 LHC中最主要的對撞粒子是被稱為質(zhì)子的強(qiáng)子 。 質(zhì)子由三個(gè)夸克和難以計(jì)數(shù)的膠子組成 。 （質(zhì)子又進(jìn)一步組成原子 ， 而原子構(gòu)成世界萬物）
如果把一個(gè)質(zhì)子放大到籃球那么大 ， 它看起來會顯得空蕩蕩 。 和原子一樣 ， 質(zhì)子也幾乎完全是空的 。 質(zhì)子中的單個(gè)夸克和膠子是非常小的 ， 只有不到整個(gè)質(zhì)子直徑的萬分之一 。
“質(zhì)子的內(nèi)部就像是你周圍的空氣 ， “杜倫大學(xué)理論學(xué)家理查德·魯伊斯說 。 “是真空和微觀粒子的混合 ， 總而言之 ， 沒有實(shí)在的體積 。 ”
”但是如果你把這些粒子放入一個(gè)氣球中 ， 你會發(fā)現(xiàn)氣球膨脹了 。 雖然質(zhì)子內(nèi)部的粒子很微小 ， 但是它們彼此之間存在著相互作用并向它們周圍施加了作用力 ， 這不可避免地產(chǎn)生了某種擁有可觀測體積的物體 。 ”
那么我們?nèi)绾巫寖蓚€(gè)實(shí)際是真空的物體碰撞呢？我們做不到 ， 但幸運(yùn)的是 ， 我們并不需要一次經(jīng)典碰撞來解放一個(gè)粒子所有的潛能 。
在粒子物理學(xué)中 ， “碰撞”一詞可以理解為兩個(gè)質(zhì)子滑過彼此 ， 它們的基本組成部分離得相當(dāng)近而可以相互“交談” 。 如果它們的聲音足夠響亮并以一個(gè)正確的方式產(chǎn)生共鳴 ， 它們能夠激發(fā)隱藏在幕后的量子場 ， 讓它以自己的聲調(diào)來回應(yīng)——也就是產(chǎn)生了新的粒子 。
“這非常像音樂 。 ”魯伊斯說 ， “整個(gè)宇宙就是復(fù)雜和諧的交響曲 ， 彼此之間相互呼應(yīng) 。 我們可以輕易地產(chǎn)生中間調(diào) ， 對應(yīng)質(zhì)子和介子 ， 但是某些音符非常高 ， 它們需要很大的能量和精確的條件來共鳴 。 ”
真空中充滿了量子場 ， 當(dāng)它以正確的能量振動(dòng)時(shí)可以短暫地產(chǎn)生一個(gè)粒子 。 這樣的場大多在幕后 ， 但發(fā)揮著非常重要的作用 。 例如 ， 希格斯場與其他粒子相互作用來賦予它們質(zhì)量 。 但是一個(gè)希格斯粒子只會在希格斯場發(fā)生正確共鳴時(shí)出現(xiàn) 。
當(dāng)質(zhì)子在LHC的碰撞中相遇 ， 它們分解 ， 其中的夸克和膠子飛出 。 它們相互作用 ， 從真空中激發(fā)出更多的夸克和膠子 ， 最后形成一大批高速運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)子 。
這個(gè)亞原子共生現(xiàn)象能在LHC中實(shí)現(xiàn)并通過實(shí)驗(yàn)記錄下來 ， 但是它并不僅局限發(fā)生在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中 。 粒子也會被超新星殘骸這樣的宇宙源加速 。 “這發(fā)生在宇宙各處 ， ”魯伊斯說 ， “在這種意義上 ， LHC和其中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)并不特殊 。 它們更像一個(gè)大型音樂廳 ， 提供奏樂的能量并記錄每個(gè)質(zhì)子內(nèi)部的交響樂 。 ”
撰文 | Sarah Charley
翻譯 | 郭鑫鵬
【在大型強(qiáng)子對撞機(jī)中，根本沒有強(qiáng)子對撞？】審校 | 韓晶晶
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