大型強子對撞器的研究目的及可能的不可預測現象

歐洲原子能研究中心(CERN)即將在2007年11月運轉大型強子對撞器(LHC),屆時將以7 TeV能量的質子束進行對撞實驗。之前科學家所能進行最高能量的粒子實驗是在費米實驗室(FNAL)的Tevatron所產生1 TeV質子與反質子的對撞。

所謂的強子(hadron)是指由夸克(quark)所組成的粒子。其中,質子(proton)和中子(neutron)就是分別由3個夸克所組成的強子,稱為重子(baryon);另外,由2個夸克所組成的強子稱為介子(meson),例如π介子和丁肇中等人所發現的J/Ψ粒子。

大型強子對撞器(LHC)裏有兩個較為重要的偵測器,超環面儀器(ATLAS),與緊湊渺子線圈(CMS)。我參與的是ATLAS。

LHC的研究目的,大致上可歸類為下列幾項:

驗證標準模型(Standard Model)中所提到的希格斯機制(Higgs Mechanism),以及尋找理論推論中尚未實際發現的希格斯粒子(Higgs Boson)。
在高能量範圍中更準確的測量重子的質量,及驗證標準模型的穩定度。
驗證超對稱(SUSY, Supersymmetry)結構的推論是否成立。
說明為何物質(matter)與反物質(antimatter)之間的對稱性並不成立。
驗證是否有更高維度空間以及弦論(String Theory)的現象存在。
宇宙中96%的質量不能從天文觀測中來解釋,那是什麼?
解釋為何重力(Gravity)比其他三種基本作用力,強作用(Strong)、電磁作用(Electromagnetic)和弱作用(Weak),相差那麼多的數量級。

以上的物理問題不一定能在LHC中獲得解答。

另一方面,高能量範圍實驗的不可預測性引發了一些新的憂慮:

產生一個穩定的黑洞(Black Hole)。(黑洞所產生的巨大引力將毀滅地球?)
產生一個奇異物質的穩定態,比我們物質世界的物質更為穩定。(世界將變成另一種物質的世界?)
產生磁單極而催化質子衰變。(質子如果不是穩定態,物質世界將會崩毀?)
觸發相變至一個量子力學中與現在物質不同的真空態(虛真空False Vacuum)。(物質將進行相變,至不一樣的狀態中?)

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