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寻找新物理的蛛丝马迹:从超对称理论到大统一理论



  来源:原理

  物质是由不可分割的粒子或“原子”构成的,这一观点可以追溯到古希腊和印度。然而,直到1897年,J.J。 Thomson才发现了已知的第一个基本粒子——电子。20世纪早期积累的实验证据表明,原子本身包含了一个携带原子大部分质量的原子核,以及绕着原子核旋转的电子。



  到了上个世纪50年代和60年代,人们对操纵原子核的兴趣不断增加,同时进行的还有将高能粒子束碰撞在一起的粒子物理实验。从碰撞的碎片中,物理学家推测出了61种基本粒子的存在,构成了今天熟知的粒子物理学的标准模型。



  标准模型解释了构建物质的基本粒子是什么,也解释了这些基本粒子是如何通过“信使粒子”(即玻色子)相互作用的。尽管标准模型在预测世界是如何运作的许多方面都表现得极其出色,但它却并不完备。距离大型强子对撞机(LHC)发现标准模型的最后一块拼图——希格斯玻色子——已经十年过去了,世界各地的物理学家正努力地通过各种实验寻找超越标准模型的证据,他们想要知道宇宙中是否还存在着全新的基本粒子或基本力。

  近来,一些最新的实验结果也不断地给出了耐人寻味的结果。例如:

  不久前,CDF实验在测量了W玻色子的质量后发现,它比理论预测的更重;

  2021年,费米实验室对μ子的磁矩的最新测量结果表明,它比标准模型计算的预期值略大;

  2021年,LHCb实验宣布,电子比μ子更有可能在B介子的衰变中产生,这与理论预期的不符。

  一旦这些结果被进一步确认,就预示着新物理的到来。除了这些实验外,其他的实验也在耐心地寻找新物理的蛛丝马迹。

  超对称理论  



  上个世纪六十年代,物理学家首次提出了超对称理论,并在七十年代得到了广泛的发展。超对称是标准模型的扩展,它假设我们熟悉的每一个已知的粒子都有一个更重(但尚未被发现)的“超伙伴”。比如电子(electron)的超伙伴是“超电子”(selectron)。

  超对称曾被给予厚望,因为它可以解决标准模型无法回答的问题,比如上文中我们提到的μ子磁矩问题。根据量子力学,真空并不是完全空的,而是充满了不断出现并快速湮灭消失的虚粒子对。这些虚粒子对会影响μ子磁矩。如果在这些虚粒子中出现了超对称预言的全新粒子,那么就可以解释为什么μ子的磁矩比标准模型预测的要大。同时,超对称粒子也可以解释W玻色子的质量问题,以及它也是天然的暗物质候选粒子。

  LHC的ATLAS实验致力于寻找超轻子(slepton)以及超荷子(chargino)和超中性子(neutralino)。在不久前发布的最新测量结果中,尽管ATLAS仍然没有发现这些假想粒子的踪迹,但却对它们可能出现的范围做出了限制,也排除了一些可以用以解释μ子磁矩的模型。

  大统一理论  



  上个世纪七十年代,物理学家已经运用量子物理学来解释已知四种基本力中的三种——电磁力、弱力和强力。许多物理学家相信,在温度极高的早期宇宙中,这三种基本力会在非常高的能量(约101⁶GeV)下合并成一个“大统一”力。就像物理学家已经确认,电磁力和弱力在高能下可以统一成电弱力一样。然而,直接检验大统一理论超出了当前粒子加速器的能力范围。但大统一理论却做出了一个惊人的预言,那就是质子可以衰变成更轻的粒子(比如正电子和π介子)。这就意味着宇宙中所有的物质,都将在有限的未来衰变。

  大统一理论有许多不同的模型,但它们大部分都预测质子的寿命要超过103⁰年!这是一个惊人的时间长度,尤其是我们的宇宙年龄才约为1.38×101⁰年。当然,我们不必耗费如此悠长的岁月去等待观测一个质子的衰变。粒子的寿命被定义为粒子数量减少到初始数量的1/2.72的时间。因此,如果我们在实验中准备庞大数量的质子,那么就有可能测量出它的寿命。

  自1996年起,日本的超级神冈探测器就一直致力于监测质子衰变释放出的辐射。它包含的质子数量高达7.5×1033个。尽管到目前为止,实验一直没有发现质子衰变,但却对质子的寿命设置了下限:103⁴年。未来,当顶级神冈探测器投入使用时,将是世界上用于搜索质子衰变的最灵敏的探测器。

  弦理论  



  物理学家所追求的并没有停留在统一三种基本力,而是找到一个能够统一所有四种基本力(包括引力)的万有理论。目前,万有理论的最佳候选仍然是弦理论。在过去的几十年时间里,它经历了发现、放弃和重新发现的漫长历史,并且经历了多次迭代。

  弦理论的基本思想是,已知的基本粒子实际上是由弦构成的。这些弦必须在10个维度(9个空间维度加1个时间维度)中移动和振动。10个维度实际上是弦理论的一个预测,如果我们试图在更高或更低的维度中构建方程,那么它们在数学上就会变得不一致。所以,既然我们显然生活在一个只有三维空间的宇宙中,那么额外的维度必须以某种方式在非常小的尺度上被卷起来(或者说”紧致化“),以至于我们无法注意到它们。



  不可否认的是,直接检验弦理论是一个艰难的前景,这也使它遭受了许多的批评。即使是被提议的下一代超级粒子加速器,也没有希望达到统一四种基本力所需要的能量。而弦本身又是如此的微小,就算是目前最好的仪器也根本无法看到它们。但物理学家可以从某些假想粒子的明显缺失中推断出弦理论所预测的额外维度的存在。例如,物理学家提出了一种假想的引力子,负责传递引力,就像电磁力是由光子传递的一样。有一种可能性是如果在LHC的对撞中产生了引力子,它们会在被观测到之前就已经进入了额外维度。物理学家可以通过观察碰撞后剩余可探测到的产物的动量和能量的不平衡来计算出是否产生了引力子。

  过去,无论是希格斯粒子还是引力波,它们从被提出到被发现都经历了非常漫长的过程。今天,虽然我们仍然没能找到超对称粒子或看到质子的衰变,但这并不意味着这些理论是失败的,也许我们只是需要更多的时间和耐心。

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