| 从字面上看，宇宙中的一切都是由粒子构成的，从构成宇宙的基本粒子原子构成了我们周围看到的一切，以及产生难以捉摸的现象如反物质和暗物质的奇异物质。前者帮助我们观察和操纵我们的世界，而后者帮助我们理解它，暗示着围绕宇宙的创造、进化和结构的深刻奥秘。
当谈到粒子时物理学然而，大部分的动作发生在巨大的加速器中，以光速将粒子碰撞在一起。这些加速器有时是人造的，因此生活在地球上——其他时候，它们属于宇宙种类，存在于深空中。 事实上，在过去的12个月里，地球上和宇宙中都发生了大量令人激动的粒子活动空间—我们以听起来更像科幻小说的新闻开始我们对2024年粒子物理故事的综述。 我们学会移动反物质的那一年 没有比这更易挥发的物质了反物质，它由质量相等但电荷相反的粒子组成，所以像反质子和正电子这样的东西，它们是电子的反物质版本。把一个反物质粒子和一个正常物质粒子放在一起，它们会在能量爆发中立即相互湮灭。 在科幻小说中，反物质通常被描述为无可匹敌的能量来源，驾驶星际飞船像炸弹一样引爆。事实上，在科学上，能够移动反物质而不与正常物质接触并使其湮灭已被证明是一个挑战，但欧洲粒子物理研究所的科学家们认为他们现在终于找到了一种方法，而且他们正在对它进行测试。 年的一份报告自然发表于2024年11月26日，描述了两组研究人员如何竞争成为第一个移动反物质的人，希望最初将反质子运送到欧洲粒子物理研究所，作为概念的证明，然后最终将粒子带到数百英里以外的杜塞尔多夫海因里希·海涅大学的专用实验室，在那里可以更仔细地检查其神秘的属性。为了移动反物质，研究小组建造了从超导磁体产生电磁场的容器，以将反物质保持在真空中，而不接触任何东西。 反物质既稀少又昂贵，而且不能简单地就地制造。虽然太空中存在反物质——正如我们将看到的那样，它会在宇宙射线中造访我们——但在地球上，科学家只能制造出价值约200亿分之一克的反物质。仅仅制造一克就要花费数万亿美元。所以，分享一下我们在欧洲粒子物理研究所能制造的反物质粒子大型强子对撞机(LHC)是下一个最好的事情。 总而言之，我们可能不会很快准备好建造反物质驱动的航天器，但运输它将使物理学家能够挖掘反物质的秘密，包括为什么宇宙中的反物质如此之少。 这一年我们打破了最重的反物质粒子记录——两次！ 粒子加速器中制造的大多数反物质粒子都相当简单:反质子、正电子、反氚和反氦——诸如此类。然而，在纽约州的相对论重离子对撞机(RHIC)和大型强子对撞机的实验中，科学家们今年成功创造了反物质的“超”粒子。 “超”是超子的简称。考虑一个粒子，例如质子，它是由三种更小的叫做夸克。一个质子有两个“上”夸克和一个“下”夸克(这些名字只是为了区分不同类型的夸克；它们没有什么真正的上升或下降)。相反，一个中子是由一个上夸克和两个下夸克组成的。相比之下，超子的特点是除了上下夸克之外，还有一种叫做“奇怪”的夸克。当超子被结合到规则的原子核中时，这些原子核会变得比它们的规则对应物更重。此外，还有反物质版本。 如何工作 今年早些时候，研究人员能够在RHIC制造出反超氢-4，它包含一个反质子、两个反中子和一个反超子。然后，几个月后，一种更重的反粒子——由两个反质子、一个反中子和一个反超子组成的反超氦-4——诞生了被爱丽丝发现了(大型离子对撞机实验)LHC的仪器。反超氢-4和反超氦-4是有史以来实验室制造的最大规模的反粒子。 物理学家发现，在RHIC和LHC形成这些反超粒子的重粒子碰撞产生了等量的物质和反物质。这听起来可能不足为奇——直到我们环顾宇宙，看到一个充满正常物质而几乎没有反物质的宇宙。为什么宇宙在2000年制造的物质比反物质多(宇宙的)创世大爆炸是一个谜——如果两者完全对称，那么两者的数量不应该相等吗？尽管如此，这种不对称似乎是一件好事。如果你还记得的话，等量的正常物质和反物质会彼此完全湮灭，宇宙中只剩下湮灭释放的光子能量。 那将意味着没有明星，没有行星，也没有生命。 通过产生等量的物质和反物质，RHIC和LHC的实验只是加深了物质的神秘——宇宙中反物质的不对称性，以及为什么大爆炸偏爱物质而不是反物质。尽管如此，我们还是慢慢接近真相。 我们把反物质和暗物质联系起来的那一年？ 正如我们已经提到的，反物质不仅仅在粒子加速器中产生地球也来自于空间中的高能过程，这些过程将物质和反物质的带电粒子以宇宙射线。这些粒子几乎以光速被认为是由宇宙中一些最猛烈和最有磁性的物体产生的:超新星残余物、活性的黑洞诸如此类。 由于观测到的物质和反物质之间的不对称，这些宇宙射线大部分是由物质构成的，但也有一些是由反物质构成的。问题是，我们探测到的反物质宇宙射线比我们能轻易解释的还要多。 在船上国际空间站是一个叫做阿尔法磁谱仪，或AMS-02，探测宇宙射线。AMS-02一直在这些宇宙射线中探测数量惊人的反物质，AMS-02探测到大量的反氢-2、反氦-3和反氦-4。 新的解释2024年提出这些反粒子是由暗物质. 没有人知道暗物质是由什么组成的。我们只知道它是一种无形的物质占所有物质的85%在宇宙中。我们知道它存在的唯一方法是通过它的重力. 一些暗物质模型预测，它可能是由一种叫做WIMP或弱相互作用大质量粒子的粒子构成的。偶尔，一个WIMP可能会与另一个WIMP相互作用，特别是在银河系的中心或银河中心附近，那里的暗物质密度最大。如果这种相互作用发生，WIMPs可能会相互湮灭，在这个过程中产生大量的其他粒子——包括反物质。 AMS-02探测到的反氢-2的数量与模型预测的WIMP湮灭的结果相符。然而，观测到的宇宙射线中反氦-3和反氦-4的丰度如此之大，以至于很难解释它们。这可能意味着我们描述WIMPs如何相互作用的模型是错误的或不完整的，或者可能WIMPs根本不存在——但是反物质来自哪里？当我们来到2024年底时，这是一个仍然没有解决的难题。 碰撞星系团的那一年揭示了暗物质的运动 测量暗物质相互作用的最佳地点之一是星系集群。一个星系团包含了大量的暗物质、热气体和各种星系，所有这些都被包裹在数百万个引力束缚的体积中光年穿过。当两个星系团相撞时，这种碰撞是相当剧烈的今年早些时候的研究给了我们迄今为止对这种碰撞最详细的观察。 在碰撞过程中，星系大多顺利通过，它们之间的距离通常太大，不可能发生任何碰撞。巨大的云然而，充满每个星系团的气体设法撞在一起，释放出X射线，因为它们太热了。因为气体云互相阻碍，所以它们在碰撞中也不会走得很远。 换句话说，我们通过探测X射线知道热气体来自哪里，我们可以通过观察看到星系在哪里。至于暗物质，我们可以通过观察来推断它在哪里它的引力是如何扭曲空间的，从而创造了引力透镜. 如果暗物质根本没有相互作用，那么它应该存在于碰撞中干净利落地穿过的星系旁边；如果它的相互作用很大，我们希望它更靠近热气体。如果它只相互作用一点点，它会在星系和气体的中间。 问题是，我们只能看到这些星系团之间碰撞的快照。碰撞发生在数亿年前——因此，我们看不到星团的移动，我们只能从一个角度看到每次碰撞，这个角度可能不是最佳角度。因此，辨别这三个部件在碰撞中的相对位置比看起来要困难。 天文学家目睹了许多星系团碰撞，最著名的是子弹星系团。我们从侧面的有利位置看到了子弹群，这使得测量组件的运动变得很棘手，因为我们需要测量它们的运动多普勒频移，这需要迎面对准。 2024年，天文学家能够做到这一点，发生了被称为MACS J0018.5+1626的星系团碰撞，距离我们50亿光年。天文学家发现暗物质确实已经从热的碰撞气体中分离出来，并且它以每小时1080万公里(670万英里)的速度移动，大约是光速的1%。这些发现表明，星团中的暗物质粒子和任何其他粒子之间没有太多的相互作用，尽管测量结果还不够精确，无法判断是否有少量的相互作用。 这种模糊性仍然为暗物质身份的许多可能性敞开了大门。 这一年，我们开始等待一颗超新星来揭示暗物质的真相 多年来，WIMPs一直是暗物质的主要候选者，但它们开始有点失宠，因为实验未能检测到它们。一个新的竞争对手已经崛起，以一种被称为轴子. 有充分的理由相信轴子可能是真实的。它们是由理论预测的量子色动力学，这关系到强力将夸克结合在一起形成质子和中子(以及超子)。碰巧轴子也是暗物质的一个很好的候选者。然而，不幸的是，没有人曾经探测到轴子。 2024年，科学家揭示了一种方法，我们可以使这种检测成为可能，但它需要一定程度的运气和完美的时机。 根据新研究，大质量恒星的核心在到达其生命的终点时坍缩，变成一个中子星在超新星爆发的前10秒钟内可以产生大量的轴子。与WIMPS不同，轴子对它们如何相互作用没有选择性，像强电磁场磁场可以将轴子转化为γ射线我们可以探测到的光子。 研究人员说，这在原则上是好的，但在现实中具有挑战性。首先，伽马射线会相对微弱，所以我们需要一颗超新星靠近我们，或者在我们的银河系或者在我们的卫星星系中，比如大麦哲伦云，来探测它们。据预测，银河系中平均每50年就会爆发一次超新星，但最近一次在天空中被目击是在1604年(尽管有一次是见于1987年在大麦哲伦星云中)。从那以后，所有其他的银河超新星要么在我们看不到的银河系一侧爆炸，要么在银河系中心附近爆炸超大质量黑洞灰尘和气体掩盖了爆炸。 也许我们应该有一个夜空但另一个技巧是，我们必须在爆炸的前10秒钟内直视它才能捕捉到伽马射线——由于我们不知道它会在哪里爆炸，因此我们的望远镜会指向哪里，这就有很大的偶然性。美国国家航空航天局的视野费米伽马射线太空望远镜让它有十分之一的机会在右边看向正确的方向时间。为了确保我们不会错过，研究人员提出了一个新的伽马射线星座卫星，他们称之为超新星的银河轴子仪器，或GALAXIS，它将覆盖整个天空24/7，等待和观察。 如果GALAXIS探测到伽马射线信号，这将意味着暗物质可能是由轴子组成的，这将排除我们2024年的下一个暗物质故事。 我们得知“黑暗大爆炸”的那一年？ 理解暗物质最初是如何产生的可以告诉我们更多关于它是什么的信息。奥斯汀的德克萨斯大学的凯瑟琳·弗里斯和马丁·温克勒提出了一个新理论，描述了一种“黑暗大爆炸“在创造了我们的宇宙的大爆炸之后产生了暗物质粒子膨胀的宇宙。弗里斯和温克勒指出，虽然我们可以推断大爆炸中正常物质的产生，但暗物质的证据只能通过其引力效应出现。后来形成了又怎么样？这就是黑暗大爆炸的由来。 这是一个有点夸张的名字，但描述了宇宙能量场可能如何经历量子效应，从而在这个场中带来跃迁，跃迁之间的能量差被转换为暗物质粒子。“黑暗大爆炸”的关键在于它预测了完全不相互作用(除了通过重力)的暗物质粒子，这将排除轴子和WIMPs。 在此基础上，纽约科尔盖特大学的两名研究人员已经证明，由黑暗大爆炸形成的暗物质粒子会产生引力波今天仍然在宇宙中回荡。这些引力波可以被脉冲星计时阵列探测到。这就是引力波在我们和a之间传递的概念脉冲星会扰乱脉冲星无线电脉冲的时间。第一个脉冲星计时阵列，命名为NANOGrav(北美纳赫兹引力波天文台)最近发现了可能的证据对于引力波的宇宙背景，研究人员理查德·凯西和科斯明·伊利认为这些引力波可能是由黑暗大爆炸产生的，但要证实纳米格拉夫的发现还有很长的路要走。 那一年我们了解了中子的短暂寿命 A giant circular computing machine hollow in the center where a thin copper tube passes through. It's like the retina of a giant robot eye. 一个巨大的圆形计算机，中间有一个洞，一根细铜管穿过洞。这就像一个巨大的机器眼的视网膜。 更大的 中子质子是构成我们周围一切的原子的基石。据我们所知，质子可以永远存在(如果它们真的衰变，那么我们将看到它在一个巨大的万亿万亿万亿年内发生，或大约如此)。 另一方面，虽然中子和质子一起被锁定在原子核中时非常稳定，但它们在原子核外就不太好了。它们会持续15分钟才会腐烂。 这就是问题所在。物理学家使用两种不同的技术来测量中子的寿命，虽然这两种技术都给出了大约15分钟的测量时间，但这两种方法之间始终存在8秒的差异。 这种差异一直困扰着物理学家，因为他们看不到明显的原因，但在2024年，奥地利科学家提出了一种解释。他们建议自由中子在产生时并不都处于相同的能级，受激中子与处于最低能级的中子相比，衰变时间会稍有不同。测量中子寿命的不同技术会给出不同的答案，因为人们更喜欢处于激发态的中子，而不是处于最低能级的中子。 我们观察放射性衰变的那一年 当放射性原子——也称为放射性同位素——衰退，它们释放粒子，减少质量，使它们稳定。例如，他们可以弹出阿尔法粒子，也就是氦核，或者它们可以喷出来电子在一个叫做β衰变的过程中。 科学家们知道α和β衰变已经超过一个世纪了，但是我们从来没有真正看到衰变的时刻，直到2024年。美国的一组物理学家设计了一个巧妙的实验，让他们能够小心后座力由逃逸的阿尔法粒子产生。他们是怎么做到的？首先，他们将铅-212原子核附着在一块只有一微米(百万分之一米)大小的二氧化硅上。然后他们用光镊将二氧化硅悬浮起来。铅-212的半衰期刚刚超过10个半小时，这意味着平均而言，任何给定数量的铅-212中有一半会在这段时间内衰变。因此，如果将四个铅-212原子核放在二氧化硅上，我们预计每10个半小时就会看到两个原子核衰变为更稳定的铅-208。 当铅-212衰变时，逃逸的阿尔法粒子导致同位素反冲，从而导致附着铅核的二氧化硅反冲。这种反冲是通过观察光线从二氧化硅上散射的变化来检测的，这使得物理学家能够确定原子核衰变的确切时刻。在某种程度上，这项技术是一种全新的粒子探测器，有朝一日可以用来测量更难以捉摸的衰变产物，例如中微子，甚至是暗物质。 那一年我们解开了W玻色子之谜，让所有人都很失望 这是科学家们不想要的结果。 w玻色子是控制α粒子放射性衰变的弱力的载体。这标准模型粒子物理学家预测W玻色子的质量应该是803576兆电子伏，但是先前费米实验室tevatron粒子加速器的研究人员在伊利诺伊州，测量到的质量为80，433 . 9兆电子伏——超出了标准模型的范围。 这是超越标准模型的新物理学的标志吗？ 一种更大质量的W玻色子很符合一种理论超对称性，该理论认为每个粒子都有一个质量更大的“超级粒子”如果暗物质是由WIMPs组成的，那将非常符合超对称性。 唉，这是不可能的。2024年LHC的紧凑型μ介子螺线管仪器确认了质量W玻色子的能量为80，360.2±9.9兆电子伏，正好在标准模型预测的范围之内。这个质量相当于1.25 x 10^–25千克。多小啊！ 粒子物理学家就这样失望地离开了，因为他们脱离标准模型的梦想已经化为乌有，至少现在是这样。不过，这也不全是坏消息；科学家可以用W玻色子更精确的质量来测试希格斯场的强度。 2024年4月8日，英国物理学家彼得·希格斯去世了享年94岁。希格斯因其预言宇宙存在的工作而闻名希格斯玻色子它携带希格斯场，由大型强子对撞机在2012年发现。希格斯场赋予了所有粒子在穿过该场时的质量——一些粒子可以跳过它，因此很轻，就像中微子或电子一样，而对于其他粒子来说，就像在糖浆中跋涉，所以它们的质量更大。在这一发现之后，希格斯获得了2013年诺贝尔物理学奖。 |
