由质子碰撞产生的粒子从紧凑型μon电磁阀检测器的中心流出。它们首先被Silicon Tracker检测到，其数据可用于重建粒子轨迹，以黄线表示。电磁热量计检测由电子和光子沉积的能量，用绿色框表示。蓝色的方框表示由射流的主要成分Hadronic量热仪检测到的能量。到达检测器最外部的颗粒以红色表示。图像：欧洲核子研究组织
大型强子对撞机的最新实验报告了运行中的首次粒子碰撞，并描述了在13 TeV时两个质子之间的平均碰撞情况。
经过两年的中断，世界上最大，功能最强大的粒子加速器大型强子对撞机于6月开始第二次实验，将13太电子伏特（TeV）的亚原子粒子粉碎在一起，这是有史以来最高的能量。实验室。物理学家希望这种高能碰撞可能产生全新的粒子，并可能模拟早期宇宙中所见的情况。
该论文将发表在《 Physics Letters B》杂志上。其中一位研究负责人是MIT相对论重离子小组的负责人MIT物理助理教授Yen-Jie Lee以及物理教授Gunther Roland和Bolek Wyslouch。
在实验过程中，研究人员以接近光速的速度向对撞机周围发射了两个质子束，它们沿相反的方向撞击。每个束包含476束1000亿个质子，质子之间的碰撞每50纳秒发生一次。该团队分析了2000万个相互作用的质子束的“快照”，并确定了15万个包含质子-质子碰撞的事件。
对于研究人员确定的每次碰撞，他们确定了从碰撞质子散射的粒子的数量和角度。平均质子碰撞会产生约22个带电粒子，称为强子，它们主要沿横切面散布在主碰撞点附近。
与对撞机的首次运行相比，能量强度为7 TeV时，最近的实验在13 TeV时每次碰撞产生的粒子增加了30％。
Lee说，结果支持以下理论：高能碰撞可能会增加发现新粒子的机会。结果还提供了典型质子碰撞的精确图像，该图像可以帮助科学家筛选寻找非典型粒子的平均事件。
“在如此高的强度下，我们每秒将观察到数亿次碰撞，” Lee说。“但是问题是，几乎所有这些碰撞都是典型的背景事件。您确实需要很好地了解背景，因此您可以将其与信号分开以产生新的物理效果。现在，我们已经为潜在的新粒子发现做好了准备。”
减少微小碰撞的不确定性
通常，13 TeV不是很大的能量，大约是飞行中的蚊子所消耗的能量。但是，当将这种能量聚集到单个质子中（小于蚊子大小的一万亿分之一）时，该粒子的能量密度将变得巨大。当两个这样的充满能量的质子相互碰撞时，它们可以从每个质子中敲除夸克或胶子中的成分，这些成分又可能相互作用产生全新的粒子。
预测质子碰撞产生的粒子数量可以帮助科学家确定检测到新粒子的可能性。但是，现有模型所产生的预测具有30％到40％的不确定性。这意味着对于产生大量粒子的高能碰撞，检测稀有粒子的不确定性可能是一个相当大的问题。
“对于高亮度运行，您可能会发生多达100次碰撞，并且基于现有模型，背景水平的不确定性将非常大，” Lee说。
为了缩小这种不确定性并更精确地计算平均质子碰撞中产生的粒子数量，Lee和他的团队使用了大型强子对撞机的CMS检测器。该探测器围绕一块巨大的磁体而建，该磁体可以产生比地球磁场强100,000倍的磁场。
典型地，磁场起到使由质子碰撞产生的带电粒子弯曲的作用。这种弯曲使得科学家可以测量粒子的动量。但是，平均碰撞通常会产生轻质的动量非常低的粒子，这些粒子在磁场中最终会绕向主对撞机的束管，而不是向CMS检测器弯曲。
为了对这些带电的轻质颗粒进行计数，科学家在关闭探测器磁铁的情况下分析了数据。尽管他们无法测量粒子的动量，但他们可以精确地计算带电粒子的数量，并测量它们到达探测器的角度。李说，与现有的理论模型相比，这些测量结果给出了平均质子碰撞的更准确的图像。
Lee表示：“我们的测量实际上将不确定性大大降低了，只有百分之几。”
模拟早期宇宙
知道典型的质子碰撞是什么样子将有助于科学家设置对撞机，使其从本质上看穿平均事件的背景，从而更有效地检测稀有粒子。
李说，新的结果也可能对早期宇宙中高温高密度介质的研究产生重大影响。除质子碰撞外，科学家还计划研究能量最高的铅离子碰撞，每个碰撞都包含208个质子和中子。当在对撞机中加速时，铅离子会因称为洛伦兹收缩的力而扁平化成圆盘。铅离子被撞在一起时，可在质子之间产生数百种相互作用，并产生一种极其稠密的介质，该介质被认为模仿了宇宙大爆炸之后的空间状况。这样，大型强子对撞机实验就可以潜在地模拟早期宇宙一开始的状况。
Lee说：“在大爆炸之后的一微秒内，宇宙非常稠密又热—大约1万亿度。”“通过铅离子碰撞，我们可以在‘小爆炸’中重现早期的宇宙。如果我们能够了解一次质子碰撞的样子，那么我们也许能够获得更多有关同时发生数百次质子碰撞的见解。然后，我们可以了解到有关早期宇宙的知识。”
这项研究部分由美国能源部资助。
