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宇宙间神秘莫测的五种粒子

希格斯粒子的发现为标准模型画上了句点,这多少令一些粒子物理学家因为没了目标感到失望。然而,一些物理学家却把希望放在了大型强子对撞机(LHC)和未来的大型物理实验设备上,希望这些先进的设备能够进一步的窥探潜藏在宇宙中的一些新粒子。从而跳出标准模型的框架,让我们对宇宙有更深刻的了解。从W微子、引力子到变色龙粒子,下面是五个神秘的潜藏在宇宙深处的粒子。



超胶子、W微子和超光子
Gluinos, winos and photinos



标准模型粒子对应的超对称粒子。


如果“超对称性”理论是正确的,那么,可能有超过一打粒子等着我们去发现,因为该理论认为,迄今为止科学家们已经发现的每个粒子都拥有一个与其对应的超级“伙伴”粒子。


标准模型认为,自然界存在着两类基本粒子:玻色子和费米子。玻色子是粒子间传递相互作用力的使者,包括胶子和引力子等,它们都具有整数的自旋;而费米子是组成物质的基本载体,包括夸克子、电子和“幽灵般”的中微子等,它们的自旋为半整数。


根据超对称性理论,每种费米子都同一种玻色子配对,反之亦然。因此,胶子会有超胶子、W粒子会有超W粒子、光子会有超光子分别来与之配对;依此类推,希格斯粒子会有一个名为“超希格斯粒子”的粒子来与之配对。


理论总是很美好,然而,不幸的是,对超对称性理论的拥趸来说,迄今为止,LHC还没有发现任何上述神秘粒子的“蛛丝马迹”。美国哥伦比亚大学的数学物理学家彼得·沃特就曾经指出,这或许表明,这些粒子很可能只是传说,或许根本就不存在,超对称性理论可能存在错误。


举个例子,在2012年的时候,物理学家在发现了一种极度罕见的粒子,叫B_s介子,这种粒子一般不存在于地球上。但是,当两个以接近光速运动的质子对撞的时候,我们可以观测到它们短暂的存在。标准模型能很好的预言对B_s介子的出现概率,这表明,所有的超粒子如果存在的话,它们会比原来的期望的更重。


超对称性理论的另一个缺陷在于,大约存在着105个“自由参数”,这意味着物理学家们并没有很好地限定新发现粒子的尺寸和能量范围,所以,他们对于在何处以及如何找到这些粒子自然也是一头雾水。现在唯有寄往于这次刚刚启动的LHC为我们带来一些好消息。



超中微子
Neutralinos



在LHC内的粒子对撞模拟,当两束质子在对撞时,会产生新的奇异粒子,可能有望找到超中微子。图片来源:CERN


超对称性理论也预言,名为“超中微子”的不带电的特殊粒子或许可以解释占据宇宙大部分物质密度的暗物质。暗物质无法直接观测得到,只能通过其对物质的引力作用来探测。美国印第安纳大学的物理学家波林·盖格诺表示,在超对称性理论中,除了超胶子之外,其他携带力的粒子混合在一起可能会制造出超中微子。


超中微子可能在早期炙热的宇宙中形成,而且,为我们留下了足够多的线索来解释暗物质的存在。


伽马射线和中微子望远镜将在宇宙间充满了暗物质的地方(诸如太阳或星系核心)搜寻这种神秘粒子的“芳踪”。实际上,2013年,物理学家们做出了一个重大的发现:国际空间站的一个粒子收集器或许已经发现了暗物质的证据,但科学家们没有公布细节。



引力子
Gravitons



图片来源:NASA


爱因斯坦和物理学家们一直被一个问题所困扰:如何为自然界中的物质和力创造一个“大一统理论”,其既能揭示微观世界中力的作用规律;也能阐释宏观世界中力的活动定律。不过,这种“统一梦”一直没有照进现实。爱因斯坦的相对论很好地解释了引力,却难以解释量子粒子的行为;而粒子物理学很好地揭示了粒子的行为,却无法有效地对引力作出解释。


因此,有些物理学家把期望寄托在了名为“引力子(gravitons)”的量子引力粒子。引力子很小,没有质量,主要作用是释放出引力波。从理论上而言,每个引力子会对宇宙中的物质施加拉力,但因为这种粒子与物质间的相互作用力非常微弱,所以,使用目前的技术不可能直接探测到这种隐藏粒子的踪迹,不过,使用诸如美国加州理工学院和麻省理工学院联合进行的激光干涉引力波观测站(LIGO)这样的工具能间接揭示引力子的存在。



非粒子
Unparticle


搜寻“非粒子”的实验依赖于地幔内部的电子(红点),这种粒子携带了远距离范围内两个自旋粒子之间的相互作用(绿色波浪线),白色弧代表了地球的磁场线。图片来源:Marc Airhart & Steve Jacobsen.

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来自:我爱李静图书馆  > 物理
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