探索量子宇宙——粒子对撞机的任务（12） [ revive ] 于:2006-12-17 08:23:30
实验室中的暗物质

宇宙中有百分之四是常规物质，百分之二十三是暗物质，剩下的是暗能量。尽管宇宙中的暗物质的数目已经很清楚了，然而它的身份依然是一个谜。
物理学家提出了许多命名古怪的暗物质候选者：中性子（neutralinos），轴子（axions），引力微子（gravitinos），电荷球（Q ball），和弱相互作用重粒子（WIMPzillas）。为简单起见，大部分理论研究都假设所有的暗物质由单独的一种新粒子所构成。但是如果黑暗宇宙也像可见世界这样丰富多彩的话，这个假设以后有可能看上去就和古代的地水火风的理论差不多。
LHC和ILC的主要目标是通过在实验室中制造出暗物质粒子并研究他们的性质，从而鉴别出一个或多个暗物质组分。
天体物理的证据暗示着暗物质粒子将出现在太电子伏尺度，目前对粒子物理和宇宙学的了解让物理学家能够回溯到宇宙历史的早期。假设暗物质粒子是大爆炸留下的弱相互作用遗迹，物理学家能够运用观测到的暗物质密度去估计粒子质量。在许多不同的理论框架下的详细研究表明了暗物质粒子的质量处于太电子伏尺度。
在LHC工作的物理学家很可能找到太电子伏尺度的暗物质的第一个证据。但是它是否真是暗物质？它是否是暗物质的全部？它为什么会在那里？直线对撞机对暗物质粒子和它们与其它粒子的作用进行精确测量。直线对撞机实验能够揭示暗物质故事篇章中的“是什么”和“为什么”。

超对称
爱因斯坦关于一个统一理论的最大障碍是关于极大的规律和极小的规律之间的矛盾。量子力学揭示了一个无规矩的亚原子世界，从虚空中冒出粒子，然后消失。在宇宙的尺度上，我们看到恒星和星系按照不变的引力规律顺利运行。为了协调表观上的矛盾，新的定律必须存在，给量子宇宙带来秩序。弦论的一个预言——超对称—— 可能是关键。
超对称认为，所有的已知粒子都有更重的超对称伙伴，它们是给亚原子世界带来秩序的新粒子。最轻的超对称伙伴是一种暗物质的可能候选者，也许能够解释宇宙的结构。超对称也能够解释希格斯粒子的存在，以及对应多个类希格斯粒子。
一些最重的超对称伙伴也许能够在LHC上大量产生。它们会衰变成最轻的超对称伙伴粒子以及大量的常规粒子，在粒子探测器中留下精彩而复杂的信号。直线对撞机将最适合于产生较轻的超对称粒子。在一段时间内，直线对撞机能够关注某一种类的超对称粒子，非常干净地测量它们的性质，以确定超对称的对称性，以及揭示暗物质的超对称本性。通过这种方式，在直线对撞机工作的物理学家将能够发现超对称是如何塑造内部的工作原理和宇宙的宏伟设计的。

希格斯粒子的宇宙学表亲
希格斯粒子的发现将在粒子物理学中打开一个新的篇章，因为它将是一类新粒子中的第一个。目前发现的所有基本粒子都有自旋，如同一个永恒旋转的陀螺。希格斯粒子将是第一种没有自旋（译者注：自旋为0）的基本粒子。
另外，理论物理学家预言了其它没有自旋的作为宇宙学必要组分的类希格斯粒子的存在。希格斯粒子将是朝向理解无自旋粒子以及它们如何赋予宇宙当前形态的第一步。
为什么宇宙如此广大？理论认为宇宙经历过一个宇宙学暴涨，从它微观尺度的开始变成为目前的巨大尺度。为了引发暴涨，物理学家假设了一种或多种称为暴涨子（inflaton）的类希格斯粒子。
为什么宇宙在加速？宇宙学的观测证实了宇宙的膨胀正在加速。占了宇宙当前70%的暗能量，被认为是宇宙加速膨胀的原因。因为暗能量非常像宇宙学暴涨，许多物理学家相信暗能量很可能包括类希格斯粒子。
为什么会有不带自旋的粒子？一种可能的解释是超对称，它认为自旋的粒子具有不自旋的超对称伙伴。或者，如果有额外的空间维度，在额外维中自旋的粒子可能在我们的维度中不显示出自旋来。一旦科学家发现了希格斯粒子，他们计划去找出希格斯粒子为什么以及怎样存在，从而获得对暴涨机制和暗能量的深刻理解。