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为什么精密光度测量很重要

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新梁管安装前CMS实验的相互作用区域。来源:欧洲核子研究中心

大型强子对撞机(LHC)上的ATLAS和CMS实验已经以惊人的精度进行了光度测量。CMS最近的物理简报补充了早期的ATLAS结果，表明通过结合多种方法，两个实验都达到了优于2%的精度。对于物理分析——比如寻找新粒子、稀有过程或对已知粒子属性的测量——它不仅对加速器增加亮度很重要，而且对物理学家来说，以尽可能最好的精度理解它也很重要。

光度是测量加速器性能的基本参数之一。在大型强子对撞机中，循环的质子束不是连续的光束，而是分组成约1000亿质子组成的“束”。在粒子探测器内的相互作用点上，这些粒子束每秒与迎击的粒子束发生4000万次碰撞。但是当两个质子束互相通过时，每一束中只有少数的质子会与相反方向的质子发生相互作用。光度是这些相互作用数量的一种度量。光度的两个主要方面是瞬时光度，描述在一个时间单位内(例如每秒)发生的碰撞次数，和累积光度，测量在一段时间内产生的碰撞总数。

积分光度通常以“逆飞仓”(fb-1)为单位表示。飞粒仓是一个横截面单位，是一个粒子相互作用过程发生概率的度量。这可以用一个例子来最好地说明:在大型强子对撞机中，13tev的质子-质子碰撞产生希格斯玻色子的总横截面是6000 fb的量级。这意味着LHC每次提供1 fb-1的综合光度，就会产生大约6000 fb x 1 fb-1 = 6000个希格斯玻色子。

了解了积分光度后，物理学家可以将观测结果与理论预测和模拟结果进行比较。例如，物理学家可以通过观察碰撞中产生的所有粒子的能量和动量来寻找未被发现的逃逸碰撞的暗物质粒子。如果存在不平衡，可能是由一种未被发现的、可能是暗物质的粒子造成的，这种粒子带走了能量。这是一种寻找大量新现象的强大方法，但它必须考虑许多效应，比如碰撞中产生的中微子。中微子也会在未被探测到的情况下逃逸，留下能量不平衡，所以原则上，它们与新现象无法区分。要想知道是否产生了一些意想不到的东西，物理学家们必须看一看数字。

因此，如果11000个事件显示了能量不平衡，而模拟预测了10000个包含中微子的事件，这可能是重要的。但如果物理学家只以10%的精度知道光度，他们很容易就能得到11000个中微子事件，但实际的碰撞只比假设的多10%。显然，精确测定光度是至关重要的。

还有一些类型的分析不太依赖于碰撞数量的绝对知识。例如，在不同粒子衰变比率的测量中，例如最近的LHCb测量。这里，光度的不确定性在比值计算中被抵消了。其他对新粒子的研究是寻找质量分布的峰值，因此更多地依赖于观察到的分布的形状，而不是事件的绝对数量。但这些也需要知道任何形式的解释结果的亮度。

最终，光度测量的精度越高，物理学家就越能理解他们的观测结果，并深入到我们现有知识之外的隐藏角落。