粒子對(duì)撞機(jī)是在高能同步加速器基礎(chǔ)大型粒子對(duì)撞機(jī)上發(fā)展起來的一種裝置。
主要作用是積累并加速相繼由前級(jí)加速器注入的兩束粒子流，到一定強(qiáng)度及能量時(shí)使其進(jìn)行對(duì)撞，以產(chǎn)生足夠高的反應(yīng)能量，粒子對(duì)撞的類別有選擇正負(fù)電子的，有強(qiáng)子粒子對(duì)撞的，有質(zhì)子對(duì)撞的和單質(zhì)粒子對(duì)撞的等，目的是檢驗(yàn)人們的實(shí)驗(yàn)儀器和探索微觀粒子的宏觀效應(yīng)，認(rèn)識(shí)量子粒子的新規(guī)律，新粒子，認(rèn)識(shí)新物理等前沿的量子物理、粒子物理科學(xué)。同時(shí)，粒子對(duì)撞也是一種天然粒子‘機(jī)制’，人們探索‘粒子對(duì)撞機(jī)制’的成因，探索‘超對(duì)稱’超額維度的存在，開發(fā)新材料。
帕多瓦大學(xué)的皮爾帕奧洛·馬斯特羅利亞和新澤西州普林斯頓高級(jí)研究所的塞巴斯蒂安·米塞拉，領(lǐng)導(dǎo)的一隊(duì)物理學(xué)家最近發(fā)表的三篇論文，揭示了這些方程式的基本數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)提供了一種將無限可能的術(shù)語折疊成幾十個(gè)基本組件的新方法。他們的方法可能有助于帶來更高水平的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，如果理論家想超越領(lǐng)先但不完整的粒子物理學(xué)模型，則迫切需要這些預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。
杜爾說：“他們已經(jīng)提供了許多概念驗(yàn)證結(jié)果，表明這是一種非常有前途的技術(shù)?！?br/>
新方法通過直接計(jì)算相交數(shù)來繞過傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法，一些人希望最終能夠?qū)喸邮澜邕M(jìn)行更優(yōu)雅的描述。
量子理論家麥吉爾大學(xué)的西蒙·卡隆-胡特說：“這不僅僅是數(shù)學(xué)?！丙溂獱柎髮W(xué)正在研究馬斯特洛里亞和梅塞拉的著作的含義?！斑@是量子場(chǎng)論深深扎根的東西?！?br/>
無限循環(huán)
當(dāng)物理學(xué)家對(duì)粒子碰撞進(jìn)行建模時(shí)，他們使用一種稱為費(fèi)曼圖的工具，這是理查德·費(fèi)曼在1940年代發(fā)明的簡單示意圖。
為了感受一下這些圖，請(qǐng)考慮一個(gè)簡單的粒子事件：兩次夸克進(jìn)入，“碰撞”時(shí)交換單個(gè)膠子，然后沿各自的軌跡彈開。
在費(fèi)曼圖中，夸克的路徑用“腿（legs）”表示，當(dāng)粒子相互作用時(shí)，它們合在一起形成“頂點(diǎn)”。費(fèi)曼制定了將這幅漫畫轉(zhuǎn)變成方程的公式，該方程可計(jì)算事件實(shí)際發(fā)生的可能性：您為每條腿和每個(gè)頂點(diǎn)編寫一個(gè)特定的函數(shù)（通常是一個(gè)涉及粒子質(zhì)量和動(dòng)量的分?jǐn)?shù)），并將所有乘積相加。
但是量子理論的黃金法則是考慮所有可能性，而交換簡單的膠子只是在兩個(gè)夸克碰撞時(shí)可能發(fā)生的廣闊場(chǎng)景中的一個(gè)。例如，交換后的膠子可能會(huì)瞬間分裂成“虛擬”夸克對(duì)，然后瞬間將其重構(gòu)。進(jìn)入兩個(gè)夸克，離開兩個(gè)夸克，但是中間可能發(fā)生很多事情。完整的會(huì)計(jì)處理，意味著一個(gè)完美的預(yù)測(cè)，將需要無限數(shù)量的圖表。沒有人期望完美，但是提高計(jì)算精度的關(guān)鍵是在無數(shù)事件中走得更遠(yuǎn)。
這就是物理學(xué)家陷入困境的地方。
放大該隱藏中心涉及虛擬粒子——量子波動(dòng)會(huì)微妙地影響每次互動(dòng)的結(jié)果。像許多虛擬事件一樣，上面的夸克對(duì)的短暫存在是由帶有閉合“環(huán)”的費(fèi)曼圖表示的?；芈肥刮锢韺W(xué)家感到困惑——它們是黑匣子，會(huì)引入無限種情況的其他層次。為了計(jì)算循環(huán)所隱含的可能性，理論家必須求助于求和運(yùn)算，稱為積分。這些積分在多回路費(fèi)曼圖中占據(jù)了巨大的比例，隨著研究人員沿著這條直線前進(jìn)，并在更復(fù)雜的虛擬交互作用中折疊，這些積分開始發(fā)揮作用。
物理學(xué)家有算法來計(jì)算無環(huán)和單環(huán)場(chǎng)景的概率，但許多雙環(huán)沖突使計(jì)算機(jī)屈服。這給預(yù)測(cè)精度和物理學(xué)家如何理解量子理論所說的內(nèi)容設(shè)定了上限。
但是，這里有一個(gè)小小的憐憫：物理學(xué)家不需要計(jì)算復(fù)雜的費(fèi)曼圖中的每個(gè)最后一個(gè)積分，因?yàn)榻^大多數(shù)可以合并在一起。
數(shù)千個(gè)積分可以簡化為數(shù)十個(gè)“主積分”，將它們加權(quán)并加在一起。但是，究竟可以將哪些積分包含在哪些主積分中，本身卻是一個(gè)困難的計(jì)算問題。研究人員使用計(jì)算機(jī)本質(zhì)上猜測(cè)了數(shù)百萬個(gè)關(guān)系，并費(fèi)勁地提取了重要積分的組合。
但是，有了相交數(shù)，物理學(xué)家可能已經(jīng)找到了一種方法，可以從龐大的費(fèi)曼積分計(jì)算中從容地提取出基本信息。
幾何指紋
馬斯特羅利亞和米塞拉的工作植根于稱為代數(shù)拓?fù)涞募償?shù)學(xué)分支，該數(shù)學(xué)對(duì)形狀和空間進(jìn)行了分類。數(shù)學(xué)家使用“同調(diào)”理論進(jìn)行這種分類，這使他們能夠從復(fù)雜的幾何空間中提取代數(shù)指紋。
法國蒙彼利埃大學(xué)的數(shù)學(xué)家克萊門特·杜邦說：“這是一個(gè)總結(jié)，是一個(gè)代數(shù)小工具，融合了您想學(xué)習(xí)的空間的本質(zhì)?！?br/>
費(fèi)曼圖可以轉(zhuǎn)換為適合通過同調(diào)分析的幾何空間。這些空間內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)可能代表了多個(gè)場(chǎng)景中的一種，當(dāng)兩個(gè)粒子碰撞時(shí)，這些場(chǎng)景可能會(huì)出現(xiàn)。
您可能天真地希望通過采用該空間的同調(diào)性（找到其代數(shù)結(jié)構(gòu)），可以計(jì)算支持該空間的主積分的權(quán)重。但是，表征大多數(shù)費(fèi)曼圖的幾何空間類型以一種可以抵抗許多同調(diào)計(jì)算的方式發(fā)生了扭曲。
2017年，米塞拉艱難地分析了弦論中的對(duì)象是如何碰撞的，當(dāng)時(shí)他偶然發(fā)現(xiàn)了由以色列杰爾芬德和安本和彥，在20世紀(jì)70年代和80年代率先使用的稱為“古怪的上同調(diào)”的同調(diào)方法開發(fā)的工具。那年下半年，米塞拉遇到了馬斯特羅利亞，后者意識(shí)到這些技術(shù)也可以用于費(fèi)曼圖。去年，他們發(fā)表了三篇論文，使用這種同調(diào)論來簡化涉及簡單粒子碰撞的計(jì)算。
他們的方法采用一系列相關(guān)的物理方案，將其表示為幾何空間，然后計(jì)算該空間的扭曲同調(diào)性。米塞拉說：“這種古怪的同調(diào)性對(duì)我們感興趣的積分有話要說。”
特別地，扭曲的同調(diào)性告訴他們期望有多少個(gè)主積分以及它們的權(quán)重是多少。權(quán)重以它們稱為“相交數(shù)”的值出現(xiàn)。最后，數(shù)千個(gè)積分縮小為數(shù)十個(gè)主積分的加權(quán)和。
產(chǎn)生這些相交數(shù)的同調(diào)理論不僅可以減輕計(jì)算負(fù)擔(dān)，而且還可以指出計(jì)算中最重要量的物理意義。
例如，當(dāng)虛擬膠子分裂成兩個(gè)虛擬夸克時(shí)，夸克的可能壽命可能會(huì)有所不同。在相關(guān)的幾何空間中，每個(gè)點(diǎn)可以代表不同的夸克壽命。當(dāng)研究人員計(jì)算權(quán)重時(shí)，他們會(huì)看到具有最長持續(xù)虛擬粒子的場(chǎng)景（即粒子實(shí)質(zhì)上變?yōu)檎鎸?shí)的情況）對(duì)結(jié)果的影響最大。
肖洛從小山指揮中心回到元帥別墅的家中，此時(shí)已經(jīng)是傍晚時(shí)分他心事重重的進(jìn)了房門
“我回來了”肖洛喊了一聲沒有聽到回應(yīng)，于是又走到二樓的書房
“娟兒”
“哎～”娟兒走出書房看到肖洛
“你怎么～回來了?”
“哦，我們現(xiàn)在沒什么事了，要等好久才能有結(jié)果，所以我就回來睡個(gè)覺。玄兒呢?”
“玄兒在這呢”娟兒說完示意了書房里嬰兒車上的兒子
“哦，我太悃了，已經(jīng)十天十夜沒有休息了，我先去睡覺了。我手機(jī)響的時(shí)候一定要喊我起來哈”肖洛說完便走向臥室睡去了，娟兒跟了過來，看著他疲憊的身軀既心疼又無所適從。
而在粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)里，各種準(zhǔn)備工作正在緊鑼密鼓的進(jìn)行中。鯤鵬山實(shí)驗(yàn)室的蕭建國老院長在收到肖洛傳給他的圖紙后發(fā)出連連贊嘆
“真是天才啊”。于是蕭建國老院長把修改后的圖紙重新印刷，親自到組裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行講解。組裝進(jìn)度也加快了速度
而肖洛在家里一躺就是一天一夜。
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