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从基础到突破:探索宇宙的构成要素如何为创新奠定基础

2021-07-02 09:49     来源:美国能源部     美国能源部 粒子物理 欧洲核子研究中心LHC

CERN 的大型强子对撞机 (LHC) 是首屈一指的粒子物理研究设施之一。美国研究人员在该设施中构建技术以及发现希格斯玻色子方面发挥了重要作用。

我们宇宙的基本构建块是什么,它们如何相互作用?在最小的层次上会发生什么,其中隐藏着什么潜力?我们的宇宙是如何演化的,未来会怎样?粒子物理学研究寻求这种知识。

由美国能源部支持的科学家在全国各地的大学和国家实验室解决这些基本谜团。他们建立了最先进的实验,产生了令人难以置信的发现和成就。在此过程中,他们创造了新技术、应用程序和训练有素的劳动力。

过去,这些技术已在消费电子产品和医药等多种领域得到应用。当 JJ Thomson 于 1897 年发现电子时,很少有人能想象有一天生活可能主要围绕围绕它建造的设备展开。当加速器磁铁被设计用来为新粒子的发现提供动力时,很少有人预见到它们会在 MRI 机器和癌症治疗中扮演新的拯救生命的角色。虽然今天的基础研究深入研究了我们宇宙的基本原理,但它也可能揭示我们将在明天的突破中建立起来的知识。

也许过去十年最著名的物理学发现是希格斯玻色子的发现。它是一种长期以来备受追捧的粒子,有助于产生宇宙中的大部分质量。美国能源部实验室和大学的数百名科学家是 2012 年共同发现该粒子的国际团队的成员。此后,科学家们对希格斯玻色子如何生存、衰变以及与其他粒子的相互作用有了很多了解。美国研究人员还在构建加速器技术方面发挥了重要作用,该技术可以产生强烈的高能粒子束。他们现在正在升级大型强子对撞机的粒子加速器和探测器,在此过程中建造创新设备并创造世界纪录。

在美国,粒子物理学家也建立并扩展了先验知识。今年早些时候,费米实验室的 Muon g-2 实验进一步证明了 20 年前在布鲁克海文实验室发现的异常现象。研究人员发现,μ 子(电子的较重表亲)的行为方式是科学家最佳理论无法预测的——可能是因为新的亚原子粒子或作用力。

另一类称为中微子的粒子也显示出暗示新物理学的奇怪特性。研究人员想弄清楚这些粒子是否是我们宇宙演化的关键因素,特别是如果它们是物质存在的原因。最近在欧洲核子研究中心对一个名为ProtoDUNE的房屋大小的中微子探测器进行的操作成功地展示了帮助回答这个问题所需的新技术。我们将与我们的国际合作伙伴一起,用它在美国这里建造深地下中微子实验。这是一个由世界上最强烈的高能中微子束实现的项目。

研究人员还收集了更多关于暗物质性质的线索,暗物质构成了宇宙中的大部分质量。暗能量调查使用我们国家实验室开发的巨型超灵敏相机,绘制了宇宙中最大的暗物质图。一系列当前和即将进行的实验——包括 ADMX、DESI、维拉鲁宾天文台、LZ 和 SuperCDMS——准备通过直接探测和物质的进一步映射来揭示暗物质的秘密。这些天体物质分布图也有助于我们了解导致宇宙加速膨胀的神秘暗能量的特性。

我们的国家实验室还利用他们在量子世界的专业知识,在量子信息科学方面取得重要进展。国家量子计划的推出强调了 QIS 对国家网络安全和经济竞争力的重要性。五个新的国家量子中心的科学家、工程师和技术人员正在努力建造从量子传感器到计算机的一切。他们在培训量子劳动力的同时实施粒子加速器技术和新的计算算法。迈向可行的量子互联网的关键一步,美国能源部资助的研究人员甚至首次展示了持续的高保真量子隐形传态。

虽然在粒子物理学中用于将粒子粉碎在一起,加速器技术还应用于医学、能源、国家安全和材料科学。仅在医学方面,加速器就用于成像设备、癌症放射治疗和 X 射线束以开发更有效的药物。对加速器研究的投资改善了我们现有的设施,并追求可能产生新技术的进步。例如,激光驱动的等离子体尾流场技术可能能使加速器的长度比当今的机器小 2,000 倍。我们的加速器管理计划有助于使这项技术更广泛地应用于科学和工业领域。

基础物理学研究获得的新知识的应用范围很广,改变了社会,但很难预测。它们与回答我们最基本的问题之一密切相关:这个宇宙是如何运作的?

美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者,致力于解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。如需更多信息,请访问science.energy.gov。

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