说唱LHC

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(我的《环球科学》第9期的专栏文章出笼了,以下是文章的内容,请勿转。2008年09期

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科学松鼠会计划每周翻译新科学家的封面和纽约客的科学文章,请大家关注

欧洲核子中心的大型强子对撞机 (LHC) 的建造一直在稳步前行,虽然注入粒子束的日期不断地被推后。最新的启动日期似乎是八月底九月初,但如果再被推迟一个月我也不会惊讶,毕竟这是人类历史上最大的机器以及最复杂的实验,还是保证万无一失的好。随着启动这台巨大的机器的日子的逼近,网上出现了一首大型强子对撞机的说唱(RAP),背景是大型强子对撞机所在的隧道,舞蹈者匿名。歌词很长,就不将原文歌词写出来了,我只给出我的翻译:

“二十七公里的地下隧道/是为了让质子们互相赛跑/一个跨越瑞士和法国的巨圆/共有60个国家为此出了钱/两束质子在其中转圈振荡/直到到达探测器的中心,然后碰撞/所有被打包到极其微小空间的能量/变成质量和粒子释放/然后……

LHCb盯着反物质去了哪里/ALICE观测铅离子碰撞的游戏/CMS和ATLAS做的事几乎一样/它们抱着发现新粒子的希望/LHC加速质子和铅离子/这台机器的发现将使你兴奋到窒息

我们看到天上的行星和流星,以及更多的恒星/我们也知道黑洞栖息在银河的中心/但是所有这些天体所含物质的引力/不足以解释为什么恒星聚集在一起,必须存在其他东西/这些幽暗的物质只通过引力相互作用/组成他们的粒子很难被捕捉/但能量守恒定定律我们可以利用/能量被它们带走,不用搜索

你看到粒子奔驰,在喷注中飞溅/另一个方向什么都没有,画不出一条线/你说你的定律被破坏,这不太可能/肯定有其他粒子来保持平衡/它可能是暗物质粒子/你将第一次看到充满宇宙的小东西

LHCb盯着反物质去了哪里/ALICE观测铅离子碰撞的游戏/CMS和ATLAS做的事几乎一样/它们抱着发现新粒子的希望

反物质是物质的魔鬼弟兄/表面上看起来就像双胞胎/但是电荷和手征相反/使得反粒子不能被随便携带/反物质遭遇物质互相湮灭/变成能量四处散开

当物质在能量中诞生/这正是LHC中出现的很多过程/你得到一半物质一半反物质/就像宇宙鸿蒙初开之时/大爆炸,爆炸出所有物质/反物质却在早期逐渐消失/因为我们今天找遍宇宙所有角落/却看不到反物质的一点踪迹/这到底……

LHCb盯着反物质去了哪里/ALICE观测铅离子碰撞的游戏/CMS和ATLAS做的事几乎一样/它们抱着发现新粒子的希望/LHC加速质子和铅离子/这台机器的发现将使你兴奋到窒息

所有人都在谈论黑格斯/所有人都相信它逃不了这台机器的检视/如果黑格斯真的存在,我们马上就要看见/如果它不存在,科学家就要声言/“原来它不存在,我们需要别的机制来了解/粒子为何有质量,标准模型并不完美。”

可是黑格斯,我还没有告诉你细节/它如何给别的粒子以质量/如果空间充满了黑格斯场/通过这种媒介,有的粒子艰难有的粒子轻巧/后者如光子,它们没有质量/而重粒子如顶夸克就变得很胖/黑格斯还会传递力量/使得与其耦合的粒子听其号令/变得可以测量

LHCb盯着反物质去了哪里/ALICE观测铅离子碰撞的游戏/CMS和ATLAS做的事几乎一样/它们抱着发现新粒子的希望

也许你会觉得万有引力很强/当你从自行车摔下你会摔得直截了当/你与大地碰撞,摔得真的很痛/可是你错了,如果你以为引力很强/你瞧,引力比弱力更弱/所以科学家们一直在寻找/超出三维的其他空间维/我们看不见它们因为它们很小/引力会逸出三维空间进入高维/使得引力在我们的世界变得虚弱渺小/这些额外维自己卷积起来/日常生活中也就根本看不见它们/可是假如你变成一个引力子/额外维就会为你打开大门/我们就会去那里找你……”

这首说唱的原文视频的地址

大型强子说唱的作者是CERN的科学作家凯特•麦卡尔平 (Kate McAlpine) ,在一次从日内瓦到核子中心四十分钟的旅行中,她写下了歌词。她虽然轻松地在四十分钟内完成歌词创作,我却花了很长时间来翻译。英文很简单,但转换成中文还要押韵就不简单了。这个说唱可以说是粒子物理前沿的简单介绍,听众在不到五分钟的时间内轻松地弄明白了大型强子对撞机到底是用来干什么的,CERN真的没有白白雇佣她。

麦卡尔平在说唱中反复提到了大型强子对装机的四个探测器,分别是LHCb、ALICE、CMS和ATLAS,她用短短的一段歌词就说清了这些探测器的作用。我们可以解释得更详细一点,LHCb是“The Large Hadron Collider beauty experiment”的缩写,用来测量电荷+宇称不守恒。ALICE这个美丽的名字是“A Large Ion Collider Experiment”的缩写,其中离子这个字 (ion) 泄露了该探测器的秘密,离子是歌词中提到的铅离子,它们的碰撞会形成夸克胶子流体。CMS是“Compact Muon Solenoid”的缩写,翻译成中文就是紧致μ子螺线管。最后,ATLAS是“A Toroidal LHC ApparatuS”的缩写,也是希腊神话中巨人的名字,他用肩旁扛起了天空。CMS和ATLAS这两个探测器是大型强子对撞机的主要探测器,用来探测黑格斯粒子和可能存在的新粒子。

下面是这首RAP的原文:

Twenty-seven kilometers of tunnel under ground
Designed with mind to send protons around
A circle that crosses through Switzerland and France
Sixty nations contribute to scientific advance
Two beams of protons swing round, through the ring they ride
‘Til in the hearts of the detectors, they’re made to collide
And all that energy packed in such a tiny bit of room
Becomes mass, particles created from the vacuum
And then…

LHCb sees where the antimatter’s gone
ALICE looks at collisions of lead ions
CMS and ATLAS are two of a kind
They’re looking for whatever new particles they can find.
The LHC accelerates the protons and the lead
And the things that it discovers will rock you in the head.

We see asteroids and planets, stars galore
We know a black hole resides at each galaxy’s core
But even all that matter cannot explain
What holds all these stars together – something else remains
This dark matter interacts only through gravity
And how do you catch a particle there’s no way to see
Take it back to the conservation of energy
And the particles appear, clear as can be

You see particles flying, in jets they spray
But you notice there ain’t nothin’, goin’ the other way
You say, “My law has just been violated – it don’t make sense!
There’s gotta be another particle to make this balance.”
And it might be dark matter, and for first
Time we catch a glimpse of what must fill most of the known ‘Verse.
Because…

LHCb sees where the antimatter’s gone
ALICE looks at collisions of lead ions
CMS and ATLAS are two of a kind
They’re looking for whatever new particles they can find.

Antimatter is sort of like matter’s evil twin
Because except for charge and handedness of spin
They’re the same for a particle and its anti-self
But you can’t store an antiparticle on any shelf
Cuz when it meets its normal twin, they both annihilate
Matter turns to energy and then it dissipates

When matter is created from energy
Which is exactly what they’ll do in the LHC
You get matter and antimatter in equal parts
And they try to take that back to when the universe starts
The Big Bang – back when the matter all exploded
But the amount of antimatter was somehow eroded
Because when we look around we see that matter abounds
But antimatter’s nowhere to be found.
That’s why…

LHCb sees where the antimatter’s gone
ALICE looks at collisions of lead ions
CMS and ATLAS are two of a kind
They’re looking for whatever new particles they can find.
The LHC accelerates the protons and the lead
And the things that it discovers will rock you in the head.

The Higgs Boson – that’s the one that everybody talks about.
And it’s the one sure thing that this machine will sort out
If the Higgs exists, they ought to see it right away
And if it doesn’t, then the scientists will finally say
“There is no Higgs! We need new physics to account for why
Things have mass. Something in our Standard Model went awry.”

But the Higgs – I still haven’t said just what it does
They suppose that particles have mass because
There is this Higgs field that extends through all space
And some particles slow down while other particles race
Straight through like the photon – it has no mass
But something heavy like the top quark, it’s draggin’ its ***
And the Higgs is a boson that carries a force
And makes particles take orders from the field that is its source.
They’ll detect it….

LHCb sees where the antimatter’s gone
ALICE looks at collisions of lead ions
CMS and ATLAS are two of a kind
They’re looking for whatever new particles they can find.

Now some of you may think that gravity is strong
Cuz when you fall off your bicycle it don’t take long
Until you hit the earth, and you say, “Dang, that hurt!”
But if you think that force is powerful, you’re wrong.
You see, gravity – it’s weaker than Weak
And the reason why is something many scientists seek
They think about dimensions – we just live in three
But maybe there are some others that are too small to see
It’s into these dimensions that gravity extends
Which makes it seem weaker, here on our end.
And these dimensions are “rolled up” – curled so tight
That they don’t affect you in your day to day life
But if you were as tiny as a graviton
You could enter these dimensions and go wandering on
And they’d find you…

When LHCb sees where the antimatter’s gone
ALICE looks at collisions of lead ions
CMS and ATLAS are two of a kind
They’re looking for whatever new particles they can find.
The LHC accelerates the protons and the lead
And the things that it discovers will rock you in the head.

s341atlas.jpg

文章 《说唱LHC》 已有 73 篇评论

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  1. 54 乱序

    拷下你的图片了~

  2. 55 shanqin

    “所有人都在谈论黑格斯/所有人都相信它逃不了这台机器的检视/如果黑格斯真的存在,我们马上就要看见/如果它不存在,科学家就要声言/“原来它不存在,我们需要别的机制来了解/粒子为何有质量,标准模型并不完美。”
    ==============================
    好久没有来这里了,今天才看见这文章,嗯,先评论这个歌词.
    就算Higgs存在,也不能说马上,亮度积累还是需要时间的,估计一两年就可以了
    如果Higgs不存在,我们也无法否认Higgs机制,Higgs粒子的存在与Higgs机制的生效不是一个概念。
    粒子质量的产生由其他粒子来赋予,仍然是Higgs机制,只不过充当“上帝粒子”的不是Higgs Boson,而是其他未知粒子,可能是Technicolor理论中的假象粒子,也可能是完全未知的粒子,但是都是Higgs机制范围内的。与传统的SM不一样的是,Technicolor是强破缺EWSB,而不是弱破缺EWSB。
    显然,TH理论属于BSM,自然可以证明SM不完美。不过SM本身不完美,即使发现Higgs粒子,也不算完美理论,规范等级问题的名声够臭了,以致于所有致力于BSM的学者都踩着这个问题的肩膀往上蹬。

  3. 56 shanqin

    “强破缺EWSB”,我这个写法有点累赘,翻译过来就是“强破缺弱电自发破缺”,所以应该去掉前面的破缺二字。

    如果weakly EWSB被实验否决(Higgs粒子无法发现),那么超对称也将受到致命打击,因为超对称也是弱方式的EWSB,并且将SM嵌入自身框架。如果发现Higgs,却无法发现低能SUSY,那还好一些,毕竟高能SUSY没有被毙。

    LHC是个理论的搏杀场地。TH理论怎么看这么个丑陋,我真难以想象TH会被证实而SUSY会被毙掉,SUSY一旦被毙,超弦肯定要被波及,就算不致命,很多优美的计算也就不再有现实意义了。

    不过,大自然就是未知的,一切都有可能。我们就等着看,到底TeV范围是绿洲还是沙漠。

  4. 57 龙龙

    说起LHC,今天看见一篇文章,说什么最可能会毁灭世界的五大实验,其中三个和LHC有关。然后下面一堆骂物理学家是吃饱了撑的疯子的评论。
    然后感慨,这年头想危言耸听易,想科学普及难……

  5. 58 平子

    明天就要试机了,拭目以待了

  6. 59 平子

    老师帮忙解答一个问题:
    狭义相对论中,如果将物体的惯性质量看作是不变量,而运动物体受场的作用在运动方向上为其静止的1/γ倍。
    如果不考虑双折射和运动电容旋转的问题,这样解释是否自洽?
    我分析了万有引力和测量荷质比的过程,与狭义相对论的解释是等价的。
    再就是我们说能将某带电粒子加速到光速的%多少,是根据加速电场的势差U计算的还是我们测量出来的?
    如果速度是测量出来的,那狭义相对论就是唯一的解释,而这个带电粒子的确回有巨大的冲量。
    谢谢!

  7. 60 一直想思考

    你不考虑辐射么?

    而且广义相对论在电磁辐射时遇到了等效原理的疑难,这里有长期的争论。看文献吧。

  8. 61 李淼

    平子:

    是测量电子的能量得出的结论。

  9. 62 平子

    谢谢老师,测量电子的能量和通过势差计算是等效的。
    如果是测量电子的动量还是符合狭义相对论,狭义相对论就是唯一的解释。
    我还是对通过能量来计算速度质疑,毕竟这个质量还只是推导的结果。

    一直想思考:
    给我介绍几个资料,让我也学习一下?

  10. 63 李淼

    平子:

    现代探测器如calorimeter,不是测量势能差的。

    至于相对论动量能量公式,也不需要测量直接速度,因为在散射过程中,能量动量守恒告诉我们相对论是正确的,而不是牛顿力学。

    举一个例子,正负电子对湮灭成一对光子,当测量了光子的动量和能量后,可以倒推电子和正电子的动量和能量,它们满足

    E^2=m^2+p^2

    这里我取光速为1。现在,只要你定义速度为p/E,你就可以得到标准的相对论能量公式了。当然,你也可以直接测量速度,看看公式p/E是否成立,就完成整个验证。上面的“色散”关系是牛顿力学中没有的。

    应该说,现代加速器中的探测器直接验证的是相对论的能量-动量关系以及这些量的守恒,至于速度,我们不关心。当然如果你真的关心速度,可以单独测量。相对论在加速器上其他验证包括时间拉伸效应,如高速运动的粒子的寿命变长。

  11. 64 平子

    当然,牛顿力学的确只是一个近似。

    说实话,相对论的动量和能量变换是有点复杂,但是他们都是从“物体的惯性质量变大γ倍”推导来的,包括上面的动量能量守恒公式。
    而这个59楼说又可以通过场对运动物体作用的变化来实现等价的解释。

    相对论最强词夺理的就是针对粒子的寿命和时间问题了,明明是各种粒子在不同场(势)有不同的频率,而相对论却告诉我们粒子有固有频率,是时间膨胀了。同样光速在不同场(势)是不同的,相对论却说是光速不变,是空间膨胀了。当然,从我们观测的角度,他们是等价的。
    宇宙中没有一个点的场(势)是不变的、可测的,使用相对论,就是在使用时刻在变化的尺子来测量我们的世界(当然,这个变化足够小)
    前几天推导了一个式子,光速可以这样表达:c=(1-rs/r)*c0
    rs是宇宙的史瓦西半径,c是宇宙半径是r时的光速,c0是场(势)为0的光速,是个定值。
    根据这个式子我们可以判断:光速随宇宙半径在变大

    当然,我的物理功底很低,一些基本的判误能力还很缺乏,感谢老师对我这个半门外汉不耻教诲

  12. 65 李淼

    平子:

    加速器物理中牛顿力学不是好近似。

    你要是关心相对论的实验,建议看一下张元仲老师写的一本书。你要是怀疑相对论,建议先读书,然后找到实验证据。有很多所谓民科反对相对论,可惜没有一个有实验证据的,这样,相对论只好一直“强词夺理”下去。

    另外,万一你是反相对论的,建议去那些反相对论论坛。 :-)

  13. 66 一直想思考

    晕…

  14. 67 悠悠

    李老师,普朗克空间和时间是计算得到的还是测量到的啊

  15. 68 李淼

    悠悠:

    你说的是Planck标度?这些是理论值。

  16. 69 平子

    谢谢老师,我现看看张老师的书先再说吧。
    我不是反相对论,是找与相对论等价的理论。
    反相对论论坛我去过,那里是一个没公式的世界(或者公式不能自洽)。
    我觉得随着维数和变量的增加,等价的解释也会越多,只是符合物理性质的只有一个。

    是《狭义相对论试验基础》吧
    谢谢老师

  17. 70 李淼

    平子:

    是的。

  18. 71 悠悠

    谢谢李老师!
    怎么看不到LHC的直播啊,那些链接的网页是不是被屏蔽了?

  19. 72 gold4r

    http://www.southrap.cn/

  20. 73 gold4r

    http://www.southrap.cn/

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