十大頂尖科學實驗:撼動未來物理發展

  1. 希格斯玻色子的發現可能開啟了另一個混亂的物理學前景。

  據國外媒體報道,當歐洲核子研究中心的科學家在去年7月宣佈他們發現了希格斯玻色子後,目前粒子物理的時代似乎結束了,科學家找到了萬物的質量之源,是標準模型的最後一塊拼圖。

  但事實也許不是這樣,希格斯玻色子的發現使得粒子物理學前進的領域似乎一片混亂,加州理工學院物理學家瑪麗亞認為這是一個謎一樣的局面。

 

希格斯玻色子的發現可能開啟了另一個混亂的物理學前景。

  接來下幾年內,新的實驗將指向暗物質、中微子性質、希格斯粒子的性質探索等。

  2. ALTAS和CMS升級能量後將調查希格斯玻色子與暗物質之間的關係。

  ALTAS和CMS是大型強子對撞機的兩個關鍵實驗,目前工程師正在對探測器進行升級,到2015年之後才可能重新啟動,芝加哥大學粒子物理學家大衛·米勒認為兩大探測器在希格斯玻色子探索過程中發揮了重要作用。

  科學家希望看到奇異粒子的線索,有些存在於超對稱理論所預言的範圍之內。事實上,ALTAS和CMS無法看到真正的希格斯玻色子,即我們只探索到希格斯玻色子衰變後的夸克、反夸克或兩個光子等,粒子物理學家瑪利亞認為希格斯粒子可能會變成真正很奇怪的東西。

ALTAS和CMS升級能量後將調查希格斯玻色子與暗物質之間的關係。

  比如像一個暗物質粒子,大型強子對撞機升級後的數據可以告訴科學家希格斯玻色子與暗物質之間存在何種關係,如果我們發現了,那就開闢一個全新的物理學。

  3.美日中微子探測器將在未來數年獲得進展。

  美國國家費米實驗室NuMI離軸中微子實驗(NOvA)和日本領導的T2K中微子國際合作組是目前探索中微子的前沿任務,中微子幾乎沒有質量,其屬性可能也超出科學家的預想之外。

  阿貢國家實驗室的物理學家莫裡古德曼認為接下來的實驗將對μ介子等粒子的行為進行研究,我們目前確定的質量範圍在電子質量100億分之一以下。

美日中微子探測器將在未來數年獲得進展

  費米實驗室中微子束發射後經過810公里的路程抵達明尼蘇達州阿什河附近的探測器,而日本的中微子通道跨度為295公里,T2K中微子項目已經運行了數年,有望在2014年採集數據。

  4.暗物質粒子是希格斯玻色子之後的下一個科學目標。

  圖中顯示的裝置是否有種密集恐懼症的感覺?這實際上是暗物質探測器的組成部分,科學家至今不清楚暗物質粒子是什麼,但其產生的引力效應卻影響整個全宇宙的星系(團),近些年,暗物質探測取得了一定的成效。

  科學家正在通過直接探測手段尋找暗物質,可能是我們的儀器靈敏度還不夠,或者根本忽視了細微的痕跡,LUX探測器最近發佈了第一次運行結果。

暗物質粒子是希格斯玻色子之後的下一個科學目標。

  但事實情況是沒有解決任務問題,反而使得暗物質更加神秘。歐洲科學家試圖通過EURECA計劃重新建立粒子物理學的研究地位,希格斯玻色子之後的下一個目標就是暗物質。

  5. 鍺探測器陣列等探測器將探索是否具有反中微子

  處於地下1400米深的鍺探測器陣列(GERDA)由意大利格蘭薩索國家實驗室運行,在最近公佈的結果顯示,探測器並沒有發現“無中微子雙β衰變”,對這一問題的研究可以發現宇宙為什麼由物質構成的謎團。

  或者說宇宙本應該是由何種物質組成,科學家希望通過實驗瞭解中微子與反中微子的性質是否相同,或者說中微子是否擁有反粒子。

鍺探測器陣列等探測器將探索是否具有反中微子

  這個結論也可以反推出早期宇宙的粒子環境,比如中微子衰變後產生的物質是否比反物質粒子還多。

  6. 短期中微子震盪BoreXino實驗將探索中微子基本性質。

  意大利國家核物理研究院(INFN)正在進行短期中微子震盪BoreXino實驗(SOX),項目投資達到35億歐元,研究過程將在將在INFN的Gran Sasso 國家實驗室(LNGS)進行,科學家旨在發現中微子的基本性質。

  物理學家莫裡古德曼認為中微子比我們想像的要複雜,最近的一個例子就是我們發現中微子反應器流出中微子,但科學家錯過了對這些中微子進行探測的機會。

短期中微子震盪BoreXino實驗將探索中微子基本性質。

  因此下一步將把中微子探測器非常接近反應堆,然而這是否是一個新的類型粒子呢,中微子性質的調查將發現更加有趣的現象。

  7. 科學家已經把南極當成中微子探測的絕佳場所

  南極冰立方中微子探測器是一個最為“瘋狂”的中微子研究計劃,科學家想要尋找的是太陽系之外的中微子起源,該探測器在2010年左右完成,宇宙中微子流現在是個較大的探索方向。

  比如強大能量釋放的天體事件,伽瑪射線暴發等都會產生高能量的中微子,但探測器還沒有捕捉到奇怪的粒子行為。

科學家已經把南極當成中微子探測的絕佳場所

  科學家還試圖建造覆蓋面積達1000立方公里的中微子網,可覆蓋南極羅斯冰架,發現能量更高的中微子。

  8. 長基線中微子實驗曾經發現中微子具有一定的質量。

  長基線中微子實驗探測器位於南達科他州一處煤礦中,中微子束來自1300公里外的費米國家實驗室,科學家試圖探測三種不同類型的振蕩模型,項目耗資達到150億美元,因此該項目面臨資金的問題。

  日本超級神岡曾經發現了中微子振蕩的明顯證據,進一步推測中微子具有一定的質量,現行基本粒子標準模型裡中微子的質量通常被近似零來處理。

長基線中微子實驗曾經發現中微子具有一定的質量。

  因此長基線中微子實驗將對中微子振蕩和一些中微子現象進行研究。

  9. 國際直線對撞機將產生更多的希格斯玻色子

  高光度大型強子對撞機(HL-LHC)將在升級到極大提升能量,達到30 TeV,是當前能量提供的三倍以上。

  科學家預計到2020年會對粒子物理學產生重大的推動作用,尤其是國際直線對撞機(ILC)能夠產生大量的希格斯玻色子。

國際直線對撞機將產生更多的希格斯玻色子

  科學家可以通過該平台探測到該粒子的基本屬性,其預計在2016年開工建設,10年後完成。

  10. 暗能量主導的下的宇宙加速膨脹機制是什麼

  20世紀結束時最意外的發現之一就是暗能量,科學家發現暗能量主導下的宇宙膨脹現象,但是物理學家依然沒有發現是什麼導致了加速膨脹。

  暗能量看似是一個巨大的線索,暗能量調查(DES)項目將對3億個星系和10萬個星系團進行調查,弄清楚大尺度結構如何隨時間的變化而變化。

 暗能量主導的下的宇宙加速膨脹機制是什麼

  暗能量在宇宙演化歷史上扮演著何種地位,埃伯利望遠鏡暗能量實驗(HETDEX)也將研究早期宇宙的星系行為,調查暗能量之謎。




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