科学家意外发现"恶魔粒子" 解开困扰67年的谜团

科学家意外发现"恶魔粒子"解开困扰67年的谜团科学家发现了一种传说已久的"恶魔"粒子，它隐藏在一种金属的等离子振荡中等离子体振荡会产生一种特殊形式的准粒子，称为等离子体，它们具有与组成它们的电子不同的新电荷和质量。然而，人们认为等离子体在室温下是不可能存在的，因为能级不足以满足形成等离子体所需的质量。但在1956年，理论物理学家戴维-派恩斯（DavidPines）预言了一个例外情况--多个能带中的电子可以异相模式聚集在一起，形成没有质量或电荷的等离子体。没有任何质量，它们可以在任何能级上形成，因此也可以在任何温度下形成。这种理论粒子被称为"松树的恶魔"，从那时起就一直未能被探测到，直到现在。现在，伊利诺伊大学香槟分校和京都大学的科学家们首次在一种名为钌酸锶的金属中直接探测到了这种粒子。这项研究的第一作者彼得-阿巴蒙特（PeterAbbamonte）说："绝大多数实验都是用光来测量光学性质的，但电中性意味着恶魔不会与光发生相互作用。我们需要设计一种完全不同的实验。"钌酸锶是一种耐人寻味的金属，它具有高温超导体的某些特性，尽管它本身并不是高温超导体。研究小组希望通过一种名为动量分辨电子能量损失光谱学的方法来研究这种材料的电子特性，从而找到一些有关这一宝贵现象的线索。这包括用电子轰击金属以观察其特性，包括任何可能形成的准粒子。在此过程中，研究人员发现了一种令人费解的无质量等离子体。这项研究的合著者阿里-侯赛因（AliHusain）说："起初，我们根本不知道它是什么。随着我们开始排除各种可能性，我们开始怀疑我们真的找到了恶魔粒子。"科学家们继续探索钌酸锶的电子结构。果然，这个隐藏了67年秘密终于出现在了人们的视线中。该研究的合著者埃德温-黄（EdwinHuang）说："派恩斯对恶魔的预言需要相当特殊的条件，而钌酸锶是否应该有恶魔粒子，这一点大家都不清楚。我们不得不进行微观计算，以弄清到底发生了什么。当我们这样做时，我们发现了一个由两个电子带组成的粒子，它们以几乎相等的幅度失相振荡，就像派恩斯描述的那样。"研究小组认为，恶魔可能在多种金属的电子行为中发挥着关键作用。这项研究发表在《自然》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376877.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376877.htm

追逐幽灵粒子：新发现可帮助回答物理学中最令人困惑的问题之一

追逐幽灵粒子：新发现可帮助回答物理学中最令人困惑的问题之一由明尼苏达大学双城分校理论物理学家领导的一个团队发现了一种寻找轴子的新方法，轴子是可以帮助解决这个谜团的假想粒子。与费米拉布国家加速器实验室的实验研究人员合作，物理学家们的新策略为在粒子对撞机实验中检测轴子开辟了以前未曾探索过的机会。研究人员的论文在美国物理学会出版的同行评审科学杂志《物理评论快报》上发表并作为编辑的建议。明尼苏达大学的研究人员寻找假设的轴子的新方法包括测量粒子"衰变"为两个μ子，这些粒子基本上是电子的较重版本--如上图所示。资料来源：明尼苏达大学的雷蒙德-科"作为粒子物理学家，我们正在努力发展我们对自然的最佳理解，"该论文的共同作者、明尼苏达大学物理和天文学学院助理教授刘震说。"在过去的一个世纪里，科学家们通过既定的理论框架在寻找基本粒子方面取得了巨大的成功。因此，中子为什么不与电场耦合是极其令人费解的，因为在我们已知的理论中，我们期望它们会这样。如果我们真的发现了轴子，这将是我们对自然界结构的基本理解的一个巨大进步。"研究亚原子粒子和可能发现新粒子的主要手段之一是对撞机实验。从本质上讲，科学家们强迫粒子束进行碰撞--当它们相互撞击时，它们产生的能量会产生其他粒子，并通过一个探测器，使研究人员能够分析它们的特性。刘和他的团队提出的方法涉及测量"衰变"产物--或者当一个不稳定的重粒子转化为两个μ介子（已知的粒子，基本上是电子的较重版本）的多个较轻粒子时会发生什么。通过从探测器中的μ子轨道向后重建这种衰变，研究人员相信他们有机会找到轴子并证明其存在。该论文的共同作者、明尼苏达大学物理和天文学学院和威廉-费恩理论物理研究所的博士后研究员RaymondCo说："通过这项研究，我们正在扩大我们可以搜索轴子粒子的方法。人们以前从未将轴子衰变为μ子作为在中微子或对撞机实验中搜索轴子粒子的一种方式。这项研究开辟了新的可能性，为我们领域的未来努力铺平道路。"刘和Co，以及明尼苏达大学物理学和天文学博士后研究员Kun-FengLyu和加州大学伯克利分校博士后研究员SoubhikKumar是这项研究的理论部分的支持者。他们是ArgoNeuT合作的一部分，该合作汇集了来自全国各地的理论家和实验家，通过费米实验室的实验研究粒子。在这篇论文中，明尼苏达大学领导的理论团队与实验研究人员合作，利用他们的新方法和ArgoNeuT实验的现有数据进行轴子的搜索。研究人员计划在未来使用实验结果来进一步完善他们对轴子产生率的理论计算。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366105.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366105.htm

物理学家首次探测到由粒子对撞机制造的亚原子中微子

物理学家首次探测到由粒子对撞机制造的亚原子中微子这种粒子在1956年首次被发现，并在使恒星燃烧的过程中发挥了关键作用。这一发现有望帮助物理学家了解宇宙中最丰富的粒子的性质。这项工作还可以揭示出宇宙中微子的情况，这些中微子会长途跋涉并与地球发生碰撞，为了解宇宙的遥远部分提供了一个窗口。这是"前向搜索实验"（FASER）的最新成果，这是一个由国际物理学家小组设计和建造的粒子探测器，安装在瑞士日内瓦的欧洲核子研究理事会（CERN）。在那里，FASER检测由欧洲核子研究中心的大型强子对撞机产生的粒子。加州大学欧文分校粒子物理学家和FASER合作项目共同发言人乔纳森-冯（JonathanFeng）说："我们从一个全新的来源--粒子对撞机当中发现了中微子，在那里你有两束粒子以极高的能量砸在一起。"他发起了这个项目，UCI和21个合作机构的80多名研究人员参与其中。FASER粒子探测器位于欧洲核子研究中心大型强子对撞机的地下深处，大部分是用欧洲核子研究中心其他实验的备件建造的。信用：照片由欧洲核子研究中心提供欧洲核子研究中心的粒子物理学家布莱恩-彼得森周日代表FASER在意大利举行的第57届RencontresdeMoriond弱电相互作用和统一理论会议上宣布了这些结果。中微子是由已故UCI物理学家和诺贝尔奖得主FrederickReines在近70年前共同发现的，是宇宙中最丰富的粒子，"对建立粒子物理学的标准模型非常重要，"FASER联合发言人JamieBoyd说。"但是在对撞机上产生的中微子从未被实验所探测到。"自从Reines和UCI物理学和天文学教授HankSobel等人的开创性工作以来，物理学家研究的大多数中微子都是低能量的中微子。但是FASER检测到的中微子是在实验室中产生的最高能量的中微子，与深空粒子在我们的大气层中引发巨大的粒子雨时发现的中微子相似。Boyd说："它们能以我们无法了解的方式告诉我们关于深空的情况。大型强子对撞机中的这些非常高能量的中微子对于理解粒子天体物理学中真正令人兴奋的观察结果非常重要。"FASER本身在粒子探测实验中是新的和独特的。与欧洲核子研究中心的其他探测器相比，如ATLAS，它有几层楼高，重达数千吨，而FASER大约只有一吨，可以整齐地放在欧洲核子研究中心的一个小侧隧道内。而且，它只花了几年时间就利用其他实验的备件进行设计和建造。UCI实验物理学家戴夫-卡斯帕说："中微子是大型强子对撞机上更大的实验无法直接探测到的唯一已知粒子，所以FASER的成功观测意味着对撞机的全部物理学潜力终于被开发出来了。"除了中微子，FASER的另一个主要目标是帮助识别构成暗物质的粒子，物理学家认为暗物质包括宇宙中的大部分物质，但他们从未直接观察到。FASER尚未发现暗物质的迹象，但随着大型强子对撞机将在几个月后开始新一轮的粒子对撞，该探测器已经准备好记录任何出现的暗物质。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350507.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350507.htm

来自宇宙的幽灵粒子：冰立方的中微子搜索将改写天体物理学

来自宇宙的幽灵粒子：冰立方的中微子搜索将改写天体物理学每秒钟大约有一万亿个叫做中微子的微小粒子穿过你的身体。这些在宇宙大爆炸期间产生的"遗迹"中微子遍布整个宇宙，但它们不会伤害你。事实上，在你的一生中，只有一个中微子有可能轻触你体内的一个原子。由黑洞等天体产生的大多数中微子比漂浮在太空中的遗迹中微子能量大得多。虽然这些高能中微子更为罕见，但它们更有可能撞上什么东西，并产生像我这样的物理学家可以探测到的信号。但为了探测到它们，中微子物理学家不得不建造非常大型的实验。冰立方就是这样一个实验，它在2024年4月发表的一项研究中记录了一种特别罕见的高能天体物理中微子。这些高能中微子经常伪装成其他更常见类型的中微子。但是，我和我的同事第一次成功地探测到了它们，从近10年的数据中提取出了一些。它们的出现让像我这样的研究人员离揭开天体中微子等高能粒子如何产生之谜更近了一步。冰立方位于数以吨计的透明冰层上，让科学家们能够看到中微子的相互作用。资料来源：克里斯托弗-米歇尔冰立方中微子天文台冰立方中微子天文台是大型中微子实验中重达800磅的庞然大物。它拥有约5000个传感器，十多年来一直在仔细观察南极地下的千兆吨冰层。当中微子与冰层中的原子碰撞时，会产生一个光球，传感器会将其记录下来。当中微子穿过冰立方时，其中的一小部分会与冰中的原子相互作用并产生光，传感器会记录下这些光。在视频中，球体代表各个传感器，每个球体的大小与其探测到的光的多少成正比。颜色表示光的相对到达时间，根据彩虹的颜色，红色到达时间最早，紫色最晚。冰立方已经探测到在多个地方产生的中微子，如地球大气层、银河系中心以及许多光年外其他星系的黑洞。但是，中微子中的一种高能中微子--tau中微子，却一直躲避着冰立方--直到现在。中微子有三种不同类型，物理学家称之为"味道"。每种味道都会在冰立方这样的探测器上留下独特的印记。当中微子撞击另一种粒子时，通常会产生与其味道相对应的带电粒子。μ介子中微子产生μ介子，电子中微子产生电子，头中微子产生头。具有μ介子味道的中微子具有最明显的特征，因此我和冰立方合作小组的同事们自然首先寻找这些中微子。μ介子中微子碰撞释放出的μ介子在衰变前会穿过数百米的冰层，形成一条长长的可探测光轨。通过这条轨迹，研究人员可以追踪中微子的来源。研究小组接下来研究了电子中微子，其相互作用产生了一个大致球形的光球。电子中微子碰撞产生的电子永远不会衰变，它会撞向它靠近的冰层中的每一个粒子。在电子最终静止之前，这种相互作用会留下一个不断膨胀的光球。由于电子中微子的方向很难用肉眼辨别，冰立方的物理学家们应用机器学习技术来回溯电子中微子可能产生的位置。这些技术利用复杂的计算资源，调整数百万个参数，将中微子信号从所有已知背景中分离出来。第三种中微子--tau中微子--是三重奏中的变色龙。一个tau中微子可以显示为一条光轨，而下一个tau中微子则可以显示为一个球。在碰撞中产生的头中微子在衰变前只飞行了几分之一秒，当它衰变时，通常会产生一个光球。这些tau中微子会产生两个光球，一个是它们最初撞击到某个物体并产生tau粒子，另一个则是tau粒子本身发生衰变。大多数情况下，中微子只飞行了很短的距离就衰变了，这使得两个光球重叠得非常厉害，以至于无法与一个光球区分开来。但在能量较高的情况下，发射出的tau粒子可以飞行数十米，导致两个光球彼此分离。掌握了这些机器学习技术的物理学家可以看穿这一点，从而大海捞针。高能tau中微子利用这些计算工具，研究小组成功地从大约10年的数据中提取出7个强候选tau中微子。这些tau中微子的能量甚至比地球上最强大的粒子加速器还要高，这意味着它们一定来自天体物理源，比如黑洞。这些数据证实了冰立方先前发现的天体物理中微子，也证实了冰立方先前发现的天体物理tau中微子的蛛丝马迹。这些结果还表明，即使在最高能量和最远距离上，中微子的行为方式也与它们在较低能量下的行为方式基本相同。特别是，对天体物理tau中微子的探测证实，来自遥远来源的高能中微子会改变味道或振荡。能量更低的中微子在更短的距离内也会以同样的方式振荡。黑洞，如图中的黑洞，可以发射高能中微子。图片来源：NASA/CXC/M.Weiss随着"冰立方"和其他中微子实验收集到更多数据，科学家们也更善于区分三种中微子，研究人员最终将能够猜测来自黑洞的中微子是如何产生的。我们还想弄清楚，地球与这些遥远的天体物理中微子加速器之间的空间是否会根据粒子的质量对粒子进行不同的处理。与来自宇宙大爆炸的更常见的中微子相比，高能量的头中微子及其μ介子和电子表亲总是要少一些。但它们的数量足以帮助像我这样的科学家寻找宇宙中最强大的中微子发射器，并研究两者之间的无限空间。作者：道格-考恩（DougCowen），宾夕法尼亚州立大学物理教授、天文学和天体物理学教授。编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435846.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435846.htm

设想中的C3冷铜对撞机有望重新定义粒子物理学的能效

设想中的C3冷铜对撞机有望重新定义粒子物理学的能效自从2012年发现希格斯玻色子以来，物理学家们一直希望建造新的粒子对撞机，以便更好地了解这种难以捉摸的粒子的特性，并在更高的能量尺度上探测基本粒子物理学。诀窍在于，这样做需要能量--大量的能量。一台典型的对撞机需要数百兆瓦（相当于数千万个现代灯泡）来运行。这还不算建造这些设备所需的能源，所有这些加起来就会产生一件事：大量的二氧化碳和其他温室气体。现在，来自美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员已经想好了如何让一个方案：更加节能的冷铜对撞机（C3）。为了了解如何做到这一点，他们考虑了适用于任何加速器设计的三个关键方面：科学家们将如何操作对撞机、对撞机本身首先是如何建造的，甚至是对撞机的建造地点--这对项目的整体碳足迹有着重大的影响，即使是间接影响。拟建的冷铜对撞机光束隧道剖面图。资料来源：EmilioNanni/SLAC国家加速器实验室"在讨论大科学时，现在必须不仅考虑财务成本，还要考虑环境影响，"SLAC助理教授、新论文的共同作者之一CaterinaVernieri说，该论文发表在PRXEnergy上。该论文发表在《PRXEnergy》上。SLAC助理教授、另一位合著者EmilioNanni对此表示赞同。"作为科学家，我们都希望不仅通过我们的发现，而且通过我们的行动来激励公众和后代，"Nanni说。"这就要求我们既要考虑潜在的科学影响，也要考虑对我们社区的整体影响。让设施更具可持续性将有助于实现这两个目标。"对撞机设计变化与环境影响对于能够探测希格斯粒子及其他粒子的下一代加速器，有许多不同的建议，C3是其中之一，不过它们都遵循两种基本设计之一：线性加速器，如C3和拟议中的国际直线对撞机；同步加速器，或未来的环形加速器，如未来环形对撞机或环形电子正负电子对撞机。它们各有利弊。值得注意的是，同步加速器可以重复循环粒子束，这意味着它们可以在多个循环中收集数据。不过，它们也有局限性，因为质子和电子等带电粒子在路径弯曲成圆形时会损失能量，从而增加功耗。直线加速器不存在能量损失问题，因此可以获得更高的能量，为新的测量提供了可能，但它们只使用一次光束，要实现更高的数据传输率，它们需要使用高强度的光束。C3的目标是通过新的设计，包括在更多点向加速器输入更精确的定制电磁场以及新的低温冷却系统，来解决大多数直线加速器在长度与能量方面的限制。该项目还旨在使用更多可互换部件和可显著降低成本的建造方法，最终制造出一个成本相对较低的小型对撞机--短至约五英里--但仍能探索粒子物理学的极端前沿。让大物理更具可持续性尽管如此，拟议中的C3对撞机仍将耗费大量资源来建造和运行，因此其支持者从如何运行加速器本身入手，将大型物理项目的碳足迹纳入考虑范围，从而解决了人们日益关注的问题。一直以来，物理学家都不太关注如何运行加速器，至少在能源效率方面。然而，SLAC和斯坦福大学的研究小组发现，一些细微的变化，如改变粒子束的结构和改进产生驱动粒子束的电磁场的克利斯特伦的运行方式，都能带来不同的效果。这些改进加在一起，可以将C3的电力需求从大约150兆瓦减少到77兆瓦，或者说减少近一半。Vernieri说："如果能减少50%，我就心满意足了。"另一方面，研究小组发现，建筑本身可能是C3碳足迹的主要来源，尤其是在全球转向使用更多可再生能源的情况下。研究人员建议，使用不同的材料，如不同形式的混凝土，以及注意材料的制造和运输方式，可以帮助降低对全球变暖的影响。此外，C3的体积也比其他加速器方案小得多--只有8公里长，这将减少材料的总体使用量，并允许建筑商选择可以简化和加快施工的地点。研究人员还考虑了C3项目的选址问题，因为这可能会影响为对撞机提供动力的化石燃料与可再生能源的组合，或者可能会建造一个专门的太阳能发电场，与储能系统一起满足加速器的需求。未来对撞机的可持续性比较最后，SLAC-斯坦福团队研究了C3与其他未来对撞机方案的比较，以及线性对撞机和环形对撞机在进行类似测量时的比较。根据他们的分析以及对其他加速器进行的类似可持续发展研究，研究小组发现，建造可能是项目碳足迹的主要驱动因素，但能够实现类似物理目标的环形对撞机通常会在建造过程中产生较高的排放量。同样，较短的加速器，如C3和另一个提案--紧凑型直线对撞机，与较长的加速器相比，全球变暖的可能性较小。"对于研究物理项目的可持续性，这是一个全新的领域，但也是一个必要的领域。至少有一个全新的讨论提出了粒子物理学的碳足迹问题。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1395307.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1395307.htm

物理学家成功连接了两个量子物理学的子领域

物理学家成功连接了两个量子物理学的子领域莱斯大学的物理学家已经证明，量子计算所高度追求的不可变拓扑态可以与某些材料中其他可操纵的量子态纠缠在一起。“我们发现令人惊讶的事情是，在一种特殊的晶格中，电子被困住，d原子轨道中电子的强耦合行为实际上就像一些重费米子的f轨道系统一样，”《科学进展》相关研究报告的作者说。这一意想不到的发现为凝聚态物理学的子领域之间架起了一座桥梁，这些子领域专注于量子材料的不同涌现特性。例如，在拓扑材料中，量子纠缠模式产生“受保护的”、不可变的状态，可用于量子计算和自旋电子学。在强关联材料中，数十亿个电子的纠缠会产生非常规超导性和量子自旋液体中持续磁涨落等行为。在这项研究中，斯奇苗和合著者胡浩宇（他的研究小组的前研究生）建立并测试了一个量子模型，以探索“受挫”晶格排列中的电子耦合，就像在具有“平带”特征的金属和半金属中发现的电子耦合，表明电子被卡住并且强相关效应被放大。斯奇苗是莱斯大学物理和天文学HarryC.和OlgaK.Wiess教授，也是莱斯大学量子材料中心主任。图片来源：JeffFitlow/莱斯大学这项研究是斯奇苗持续努力的一部分，他于7月获得了美国国防部著名的万尼瓦尔·布什教员奖学金，以验证控制物质拓扑状态的理论框架。在这项研究中，斯奇苗和胡浩宇表明，来自d原子轨道的电子可以成为晶格中多个原子共享的更大分子轨道的一部分。研究还表明，分子轨道中的电子可能与其他受挫电子纠缠在一起，产生强相关效应，这对于多年来研究重费米子材料的Si来说非常熟悉。“这些完全是d电子系统，”斯奇苗说。“在d电子世界中，就像有一条多车道的高速公路。在f电子世界中，您可以认为电子在两层中移动。一种就像d电子高速公路，另一种就像土路，移动速度非常慢。”Si表示，f电子系统拥有非常清晰的强相关物理例子，但它们并不适合日常使用。“这条土路距离高速公路太远了，”他说。“高速公路的影响非常小，这意味着微小的能量尺度和非常低的物理温度。这意味着需要达到10开尔文左右的温度才能看到耦合的效果。在d电子世界中情况并非如此。在多车道高速公路上，事物之间的耦合非常有效。”即使频带平坦，耦合效率仍然存在。斯将其比作高速公路的一条车道变得像f电子土路一样低效且缓慢。“即使它已经变成了土路，它仍然与其他车道共享地位，因为它们都来自d轨道，”斯说。“它实际上是一条土路，但它的耦合性更强，这转化为更高温度下的物理现象。这意味着我可以拥有所有基于f电子的精致物理学，为此我拥有明确定义的模型和多年研究的大量直觉，但我不必达到10开尔文，而是可以工作例如，200开尔文，甚至可能是300开尔文，或室温。因此，从功能角度来看，它非常有前途。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389679.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389679.htm