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为什么说标准模型不是宇宙的全部?有哪些物理
  • 作者:佚名
  • 发表时间:2020-01-04 20:40
  • 来源:互联网

2013年3月14日,欧洲核子研究组织公开确认:新发现的126 GeV基本粒子就是长久以来我们寻找的希格斯玻色子,至此我们已经探测到了有史以来粒子物理理论所预测的每一个粒子。

换句话说,除非我们现在发现标准模型中的“粒子”根本不是基本粒子,或者更严重一点,有证据表明我们对质量的起源和物质本质的理解存在还不知道的错误!否则我们目前建立的标准模型就是正确的,我们可以继续沿着这条路往下走!

但这绝不等同于说“标准模型就是一切”。恰恰相反,大量的观测结果清楚地表明,宇宙中存在比标准模型中的夸克、轻子和玻色子更多的粒子还没有被发现。我们的标准模型并不完善,下面让我们来看看超越标准模型的五大物理线索吧!这五个问题也是目前没有解决的物理学前沿问题。

从结构形成到相互碰撞的星系团,从引力透镜到大爆炸核合成,从重子声波振荡到宇宙微波背景下的各向异性,很明显,正常物质(由标准模型粒子构成的物质)只占宇宙总质量的15%左右。缺失的物质根本就没有那些强或电磁相互作用,而且发现的中微子,它的质量还不足以解释大约1%的缺失物质。

然而,当我们观测引力对宇宙的影响时,这些暗物质不像标准模型中所有带电和中性粒子那样会与光子发生相互作用。

暗物质聚集的方式强烈地表明了它是一种超出标准模型的有质量粒子。它的性质究竟是什么,目前在物理学中是一个悬而未决的问题,虽然现在是出现了很多候选者,但是没有一种粒子能凭借一己之力承担暗物质这个重任。

根据标准模型,粒子既可以是无质量,比如光子和胶子;也可以与希格斯场发生耦合来获得质量。耦合是有一定范围,所以我们得到了像电子一样轻的粒子,只有1GeV/c 的0.05%(其中质子的质量是0.938GeV/c )和顶夸克一样重,然后是中微子。

在过去的十年中,人们发现中微子的质量受到了限制(通过中微子振荡),中微子的质量非常低,但肯定不是零,这是为什么呢?目前一般的解释方法为“翘翘板机制”,这个机制通过引入额外的,非常重的粒子:惰性中微子(可能是标准模型粒子质量的十亿或一万亿倍),惰性中微子是标准模型的延伸;如果没有惰性中微子,中微子的微小质量(只有电子质量的十亿分之一)是完全无法解释的。无论跷跷板型粒子是否存在,或者是否有其他的解释,这种引入的巨大中微子在某种程度上是超越标准模型的新物理学的象征。

C-对称破缺、P对称破缺和CP-对称破缺,C代表电荷共轭(意思是用反粒子替换所有的粒子,所有的反粒子用粒子替换),P代表奇偶性( 意思是取镜像,也就是左右彼此互换)。从理论上讲,如果对粒子施加对称和物理定律,并且所有物理现象保持不变,那么C和P是守恒的,或对称。如果你同时施加两种对称,并且所有物理现象还是保持不变,那么CP是守恒的,或对称。

在自然界中,有这样一个对称性破缺的例子,在弱相互作用(净水器由w和z玻色子介导的相互作用)中,存在违反CP对称的问题。

事实上,违反CP对称确实发生在弱相互作用中(并且已经在多个实验中得到了测量),同样地,标准模型中也没有禁止在强相互作用中发生违反CP对称现象。但是这个现象在强相互作用中观测到的和预期值相差甚远。

那么为什么宇宙早期的正物质会多于反物质呢?这个问题为什么现在还解决不了?原因就在于标准模型中缺乏违反强CP对称的粒子!现有的违反对称的粒子不足以解释正反物质的比例。

这说明标准模型中还缺乏像这样的粒子,这个粒子也有可能解决暗物质的问题!无论如何分析,标准模型都不能解释所观察到的强CP违反的缺乏,我们需要新的粒子,或者需要新的物理理论来解释它。

标准模型没有将引力相互作用纳入其中。我们目前最好的引力理论——广义相对论,在极大的引力场或极小的距离下表现的毫无意义;广义相对论创造的奇点表明物理学在那里将会崩溃。为了解释奇点里面发生了什么,我们就需要一个更完整的引力理论,或者说是量子引力理论。

目前,我们还不知道如何建立量子引力的理论。弦理论是所有理论中最有可能的(也是目前唯一可行的对策),但所有的可能性的理论都有一个共同点,那就是我们必须找到一种新粒子:一种无质量、自旋为2的引力子。

这可能是标准模型之外最难以捉摸的粒子,但有如果想量化引力,这种粒子一天不找到都不可能。

在宇宙中,为什么物质比反物质多,这可能也涉及到标准模型之外的新粒子,就像上文说的,缺乏违反强CP对称的粒子,或者

现在,以上的问题很有可能是相互关联的,甚至可能只需要一两个新粒子或一些新的物理知识就可以解决所有的问题。但是这些新粒子和新物理知识将产生更多的理论来超越标准模型。广州网络公司

标准模型之外可能存在一个(或多个)与暗能量有关的粒子,可能存在磁单极子、前子(组成夸克和轻子的较小粒子)。这一切的一切说明标准模型并不是宇宙的全部。