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11个物理难题,11种基本粒子



文章发布时间:2015/5/26 8:18:50



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暗物质是什么?引力又是什么?为什么宇宙如此均匀?每一个难题都会对应一个新的粒子。

在20世纪30年代后期,诺贝尔物理学奖获得者Isidor Rabi获悉存在一种较重版本的电子时,他问道:“这是谁下的订单?”。四分之三个世纪以来,同样的问题他可以问很多次。我们现在知道,Rabi的不速之客,μ轻子,是类电子粒子家族的三个成员之一,而成员间的区别仅在于质量的不同。

事情还没有结束。物质及其相互作用的标准模型依赖于一整套粒子,其中有的为人们熟悉,有的则较为陌生。瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC),正在准备第三期的质子对撞实验。LHC正在寻找标准模型预言的希格斯玻色子(质量的赋予者)存在的证据。

除此之外,还有很多有待发现的粒子。标准模型留下了许多悬而未决的问题。为什么在我们的宇宙中,物质的含量远远超过反物质?引力的本质是什么?把星系拉在一起的“暗物质”是什么?为了回答这样的问题,物理学家一次又一次采用相同的权宜之计:发明一种新的粒子。

弦球(Stringball)

弦理论是一种流行的理论尝试,它要将两个不同尺度(由标准模型支配着的粒子微小世界,和引力作用下的宇宙尺度)结合在一起。它认为,像电子和夸克这样的粒子其实是弦的不同振动模式,而这些弦只有10^-35米长。

如果这个预言是正确的,大型强子对撞机中就可能发生一些有趣的事情。其中一个臭名昭著的可能产物是微型黑洞。而另一个则是弦球(Stringballs)。弦球指的是两根弦猛烈相撞时没有结合成一根更长的弦,而是形成一个缠绕的球。

大型强子对撞机能量足够高,所以其中可能产生大量弦球。这将是一个革命性的事件, 弦球概念的发明者之一、加州斯坦福大学的Savas Dimopoulos说。其中的重要原因在于弦论与空间存在额外维度的想法息息相关。“发现额外维度比发现新大陆更为激动人心”,Dimopoulos说道。

到目前为止,我们还没有发现弦球的存在。但目前仍然是加速器运行的初期阶段。“理论物理学家善于预言现象”,Dimopoulos耸耸肩,“只不过他们无法告诉你在哪里能观察到这样的现象。”

四夸克态(Tetraquarks)

有时候,人们会从实验中发现新的粒子。十年前,全世界有十几个实验报告,他们发现了“五夸克态”存在的线索。这是一种由四个夸克和一个反夸克组成的束缚态,质量比质子大一半。粒子物理学家对此议论纷纷。

标准模型中的质子和其他复合粒子,要么是由三个夸克结合在一起的,要么是一个夸克和一个反夸克结合在一起的。但是从根本上讲,我们没有理由认为四、五、六、七个夸克和反夸克组成的重粒子就不存在,牛津大学的粒子理论家Frank Close说。然而,我们确实有理由认为我们会很难发现这样的粒子。例如人们预计一个五夸克态会在10^-23秒之内衰变,“光在这段时间内刚好飞过一个粒子”,Close说。

当时我们看到的五夸克态,最终被证明没有站得住脚。如果确实有这样的发现,2005年的一个专门设计的寻找实验应该能看到,但是结果并没有看到。

虽然五夸克态已经式微,但是四夸克态的势头正在上升。这种由两个夸克和两个反夸克复合而成的粒子可能会在电子和它的反粒子正电子湮灭时产生。Close说,问题就在于如何解释这个现象:我们实际看到的是真正的复合粒子,还是如同“分子”一般,是短暂而松散地连在一起的两组传统的夸克-反夸克对?

当我们筛选大型强子对撞机的运行数据时,这种粒子得而复失的事情很可能还会发生。那真的是希格斯玻色子或超对称的信号,还是会最终化作一团泡影呢?

胶球(Glueballs)

质子内部是一个复杂的世界。三个为质子贡献了电荷的“价”夸克生活在一个沸腾的海洋中,周围充斥着在量子真空中产生旋即消失的寿命极短的夸克。

在夸克之间起束缚作用的则是一类名为胶子的粒子。夸克携带电荷和色荷。正如带电粒子通过彼此交换光子而产生电磁力,带色的夸克之间也会交换胶子。这种交换产生的强核力将它们束缚在一起。

但是其中还是有差别的。光子是电中性的,但胶子本身也携带色荷,所以它们对自己也有作用力。这就产生了一个有趣的问题:能不能不要夸克,找到一种仅完全由相互粘连的胶子组成的物质呢?

物理学家已经为“胶球”的可能性等待了三十年。1994年,欧洲核子中心的水晶桶实验(Crystal Barrel experiment)得到了其中首个可能的线索。但是粒子理论专家的Close说,二十年来我们并没有弄清楚这究竟意味着什么。在任何可以想到的实际情况下,胶球的信号中都可能混杂着任意数量的电中性的强相互作用粒子,如泥沙俱下。“目前还没有什么证据会违背现有的胶球理论”,CLose说,“但是如何证明这个理论仍在困扰着我。”

暴胀子(Inflatons)

为什么空间如此平滑,宇宙的物质分布如此均匀?根据解释宇宙起源的通常的大爆炸模型,空间本可以呈现出各种各样稀奇古怪的参差不齐或者的扭曲。

目前的标准解释是,刚出生后的宇宙经历了一段的急速扩张的时期,当时,空间区域的分离速度超过了光速,因而所有的不均匀性都被熨平了。“暴胀”背后的驱动力是一个巨大的能量场,它曾短暂地主导了宇宙,之后衰变成其他物质和辐射。

量子理论认为,每一个场都有一个关联的粒子,这里的粒子叫做暴胀子(inflaton)。暴胀子存在的话就会产生一些有趣的影响。暴胀场的量子涨落很难完全消除,所以原初宇宙的某些部分仍然会持续暴胀,产生许多各自为政的宇宙,组成一种“多重宇宙”。

但是,暴胀子的直接证据不会在近期内出现。至少,你需要一个能产生比大型强子对撞机的能量密度大一万亿倍的加速器,普林斯顿大学的Paul Steinhardt说。 “但你又必须弄清楚哪种粒子加速碰撞时会产生暴胀子”。

坡密子(Pomerons)

即使我们最终也未能成功分离出一个胶球(见上文),至少有一个地方物理学家会相信它会出现,那就是在大型强子对撞机中,当质子在擦碰中进行能量交换时。

这些“虚”的胶球的形状和大小取决于碰撞的特征,这着实是个让理论物理学家头疼的数学问题。但有一个现成的补救措施,美国加州大学圣巴巴拉分校的理论物理学家Joe Polchinski说:将这些虚粒子整个简化成一个等效的坡密子(pomeron)。

坡密子在质子相互作用的模型中的历史源远流长,甚至早于描述夸克、胶子和强相互作用力的理论。它们甚至是弦理论的源头之一(请参阅弦球一节)。最初引入坡密子是为了解释质子的行为,后来才改弦更张。“弦论起初是强相互作用的候选理论”,Polchinski说,“然后才转变成一个引力理论。”

现在,事情正在朝相反的方向发展。一种五维时空中的弦理论看起来非常像我们传统的四维时空的强相互作用力。所以,现在人们用它来理解坡密子以及大型强子对撞机的擦碰反应中的一举一动。

这可能真的会钓到大鱼:相比大型强子对撞机中标准的迎头碰撞,这种擦撞所产生的碎片更稀少。人们正在对探测器加以改进,以期待发现质子交换坡密子的信号。这样的改进也有助于更精确地观测人们津津乐道的希格斯玻色子,英国曼彻斯特大学的理论物理学家Jeff Forshaw说。

轻子夸克(Leptoquarks)

1994年,一组物理学家在德国汉堡的DESY实验室做电子对撞质子的实验。他们看到一个电子貌似变成了一个较重的伙伴,μ轻子。在标准模型中,这样的转变是前所未闻的。那么,其中究竟发生了什么?

一种可能性是,碰撞时产生了一个重量级的杂交粒子,叫做轻子夸克(leptoquark)。在标准模型中,电子和质子是两种截然不同的粒子,因为它们参与的相互作用种类不同。质子之类的粒子是夸克在强相互作用力下复合而成的(请参阅“四夸克”)。电子和μ轻子之类的基本粒子统称为轻子,它们并不参与强相互作用力。

大统一理论的目标是跨越这些界限,使自然界四种基本相互作用中的三种融合为一种。在一些理论,当电子撞击一个质子时,例如在DESY的HERA加速器中,轻子夸克就会产生,并衰变为一个μ轻子和夸克。“HERA似乎是一个产生轻子夸克的好地方”,伦敦大学国王学院的理论物理学家John Ellis说。

在这个事件中缺乏进一步的观测事例,因此大家的热情有所减退。然而,大统一理论的诱惑一直存在——在大型强子对撞机上轻子夸克的搜寻今天仍在继续。

W微子(Winos)

粒子物理学家通常是一个冷静的群体。他们的粒子有时并非如此。

W微子出自超对称理论,人们认为标准模型能够归入这个宏大的理论建构中。超对称弥补了标准模型的一些结构性弱点,它认为每个已知粒子都有一个尚未发现的、质量通常较大的伙伴粒子。

例如,费米子是标准模型中构成物质的一类砖块粒子,其中包括电子和夸克,还有它们幽灵般的亲戚中微子(见图表)。在超对称中,它们都具有“超费米子”表兄弟:超电子(selectrons),超中微子(sneutrinos)和鹦鹉学舌般的超夸克(squarks)。另一类标准模型的主要粒子,传递相互作用力的玻色子,具有“微子”伙伴:光微子(photinos),胶微子(gluinos),等等。因此W微子是W玻色子的超对称伙伴,而W玻色子则是传递弱相互作用力的粒子。

根据超对称理论,所有的超费米子都是玻色子,而所有“玻色微子”都是费米子。这听起来相当混乱,不过别担心:大型强子对撞机目前还没有发现这些超对称粒子。对于许多粒子物理学家和宇宙学家来说,缺乏W微子之类的粒子将是一个严重的问题,因为超对称粒子是把星系结合在一起的未知的暗物质(请参阅“Wimpzilla”)的一个现成候选者。

任意子(Anyons)

忘记这条规则:对于任意子,任何事情都会发生。这些二维世界的居民们无法归入通常的,界限分明的费米子和玻色子(请参阅“Winos”),而是介于两者之间——这种模棱两可的状态导致麻省理工学院的理论粒子物理学家,诺贝尔奖获得者Frank Wilczek给它们取了这个名字。

电子和光子之类的常规粒子可以被视为自由空间中的能量畸变,是量子真空的一种点状“激发”。同样,任意子也是一类能量激发,但每个任意子携带的电荷只有电子的一部分,它们产生于强磁场中的某些二维金属层里。

在这样的情况下,在其中运动的东西实际上是磁场中的光子和金属中的自由电子。那么为什么要发明一种新的粒子?Wilczek说,其原因就像我们提出质子概念的原因一样:非常管用。质子是由夸克组成的,但没有人见过单独的夸克,因此质子的提出通常是有道理的,例如当我们描述原子核的行为时。“原则上你可以不必将这些激发视为独立的实体”,Wilczek说。 “但是那会很不方便。”

二维的石墨烯材料是由单层碳原子构成的,它的发现使得Andre Geim和Konstantin
Novoselov获得2010年诺贝尔物理学奖。这种材料的出现,意味着任意子可能不久就会进入千家万户。其独特的性质也使它们成为下一代的超高速量子计算机的大热门。

伽利略子(Galileons)

20世纪90年代,人们通过对遥远的超新星的观测,发现了宇宙正在加速膨胀。这项研究名正言顺地荣获了2011年度诺贝尔物理学奖。

理论物理学家有点摸不着头脑,他们不知道是什么原因导致了宇宙的加速膨胀。首选的候选者是“暗能量”,它源自量子真空,并用某种方法胜过了把万物拉在一起的起稳定作用的引力。另外的建议则是,这个效应是一种错觉,源自于我们在宇宙中的位置;或者,只不过是因为引力的作用在宇宙学的大尺度上有所减弱。

后一个解释存在一个很大的障碍需要克服。我们目前的引力理论,爱因斯坦的广义相对论认为,引力在宇宙各处有同样的行为。它的预言已经得到太阳系尺度上的验证,至少我们星际探测器的漫游就证实了这一点。

伽利略子提供一个简洁的解决方法。人们假设有一种量子场能够削弱引力的作用,而它们就是这种场对应的粒子。像相关的“变色龙”粒子一样,它们的作用被物质所屏蔽。在相对高密度的区域,如我们的太阳系,我们感觉不到他们的削弱作用,只有在巨大而空虚的大片的宇宙中才有效——这从而解释了超新星的观测结果。

这是一个不错的主意,但它说得对吗?问题的答案取决于能否找到可检验的效应,让我们能够证实它的存在,费城宾夕法尼亚大学的理论物理学家Mark Trodden说。“我们在非常努力地研究这些效应可能的样子。”

马约拉纳粒子(Majorana particles)

1938年,意大利的理论物理学家Ettore Majorana在从巴勒莫到那不勒斯的旅途中失踪,留下了许多未解之谜。其中一个谜题是,一个粒子在什么情况下会成为自身的反粒子。

除了电荷相反以外,粒子和它的反粒子是完全相同的(编者注:这句话其实不对。粒子和反粒子除了电荷之外,还有许多量子数是相反的。)。与超对称理论中的超伙伴粒子(请参阅“Winos”)不同,反物质是真实存在的。不过,1932年,当人们在宇宙射线中发现了一个带正电的反电子,也就是正电子时,反粒子才从理论猜想变成了现实。

Majorana提出,一个和电子同属费米子的不带荷粒子,可能有一个同样不带荷的反粒子。这似乎很荒谬:这不就是同一个粒子的复制吗?但超对称世界中本来就有Majorana的粒子。在超对称中,不带荷的光子有一个费米的超对称伙伴,叫做光微子。光微子也是它自身的反粒子。同样性质的还有希格斯微子,也就是希格斯玻色子的超对称伙伴。

上个月,一个纳米半导体导线实验中的现象印证了Majorana描述,同时也证实了长期以来的理论预言(编者注:这个实验中观察到的是一种准粒子,不是中微子之类的基本粒子)。马约拉纳粒子很有可能每时每刻都在穿过我们的脑袋:中微子和反中微子的反应方式不同,但可能是相同的无荷粒子的不同的运动状态。

这个实验证据应该是一个叫做无中微子双β衰变的核过程。传统的β衰变会释放反中微子或中微子。在罕见的情况下,一个核可以进行两次这样的衰变,放出两个这样的粒子。如果中微子是其自己的反粒子,两者便会湮灭,人们就不会观测到中微子的释放。这样的过程有助于揭开一个巨大的谜团:为什么是物质,而不是反物质,主导了整个宇宙。

弱作用巨兽粒子(Wimpzilla)

物理学家Rocky Kolb在伊利诺斯州的Warrenville的超市购物时,想给他和同事们刚刚发明的暗物质粒子模型取个名字。旁边路过的公交车上的一张电影海报提供了答案。这是1998年,哥斯拉(Godzilla)翻拍刚刚上映。于是诞生了弱作用巨兽粒子(Wimpzilla)。

【图:影片Godzilla海报】

没有人知道暗物质是什么:我们只知道在我们的望远镜里,80%以上的宇宙物质是不可见的。弱相互作用重粒子(Weakly-interacting massive particles或WIMP),是一个主流的想法。它们比质子重10倍到100倍,会在宇宙原始热遗迹中产生,并借助引力播下今天的星系结构的种子。

但这并不是唯一的可能性。在宇宙最初的暴胀时期(请参阅“暴胀子”),空间本身的膨胀从真空中“撕”出了粒子。Kolb和他的同事们计算,其中暗粒子的质量可以比WIMP大十亿倍。

巨兽级的质量意味着Wimpzillas极为稀少。它们无法在粒子加速器中产生,恐怕也不能被众多的探测WIMP的地下探测器所捕获。“它们可能是曾经提出的最难以捉摸的暗物质粒子,”Kolb说。

它们可能在宇宙微波背景辐射中留下踪影,那是弥漫天空的宇宙大爆炸的余辉。如果我们在欧洲航天局的普朗克卫星的宇宙背景辐射图中发现了某些痕迹,“那么经过了一万年的思考,我们终于可以知道宇宙是由什么构成的”,Kolb说。这就是发明新粒子概念可以换来的大奖。

关于本文

图片出处依次为:

www.scienceblog.com

www.jlab.org

www.nobelprize.org

physicaplus.org

www.findfreegraphics.com

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