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全新理论物理模型问世,一举破解暗物质等五大物理悬题!?

来自法国和德国的物理学家声称,他们已经找到了一种新的理论模型,该模型可以成功解释现代物理学中的五个最重大的悬而未决的问题:

暗物质

中微子震荡

重子生成

宇宙暴胀

强CP问题(强电荷宇称问题)

被称为SMASH的新模型认为,只需要添加6种新的粒子,就可以弥合标准模型与实验事实的所有背离之处。提出该模型的法国-德国物理学家团队表示,SMASH模型不难被检验,因为它并不是对标准模型的颠覆,而只是在其中添加一些新的粒子。

论文地址:https://arxiv.org/abs/1610.01639

SMASH模型可追溯到物理学家米哈伊尔·沙波什尼科夫(Mikhail Shaposhnikov)于2005年在瑞士洛桑联邦理工学院做的工作,当时,该模型被称为中微子最小模型(neutrino minimal standard model 或 νMSM)。

中微子最小模型认为,只要给标准模型添加3种具有特定质量的右手中微子,就可以解释暗物质和宇宙的重子不对称性。此外,新模型的理论预期也与中微子振荡实验的结果吻合。

目前,法国巴黎萨克莱大学的物理学家古力莫·巴尔斯太罗(Guillermo Ballesteros)领导SMASH团队。

他表示,可以结合3种右手中微子、标准模型中已经存在的3种中微子和一种叫做彩色三重峰费米子的亚原子粒子,来解释5大问题中的前4个问题。再加入一种理论假设的场,就可以解释第五个问题。

通常而言,超对称理论需要引入数百种新粒子,但相比之下,SMASH模型看起来就相当简单了。

香农·哈尔(Shannon Hall)表示:“SMASH引入了一种新的场来解释这些物理学问题。这种场包含2种粒子:被认为是暗物质组成部分的轴子,以及暴胀子,它是暴胀的推手。”

科研团队相信,SMASH模型可以被下一代粒子加速器验证,因此,它比其他难以实验验证的理论更靠谱。

SMASH研究团队成员和德国电子同步加速器科研团队成员安德鲁斯·雷沃德(Andreas Ringwald)表示,对该理论的验证在几年之内就可以完成。因为如果一种需要100年甚至更久才能被实验验证的理论,应该叫做形而上学,而不是科学。

SMASH 模型的论文目前还未发表在同行评议学术期刊上,因此它还必须经过粒子物理学界的严格审查。但是arXiv上已经有该模型论文的预印本,可以自由下载查看。

当然,SMASH模型可能并不能像预期的那样,完美解释5个重大问题。但是无论如何,科学家相信它都是一系列激动人心的进步的起点。按照雷沃德的说法:“新的征程开始了。”

该模型引起了学术界极大的关注,因为其他试图解释量子力学实验事实的理论——比如超对称性——都需要向标准模型中添加上百种人类尚未发现其踪迹的新粒子。而SMASH只需要向标准模型中加入6种新粒子:3种中微子,1种费米子,以及一个包含2种粒子的场(粒子可以作为源激发出场。场无实体,但在不同时间点和空间点都有其对应值。

大量粒子尚未被发现

那么,这个模型究竟能解释哪些重大物理问题呢?我们从暗物质开始说起。

问题一:暗物质

越来越多的证据显示,宇宙中26-27%的物质是暗物质。人类可以探测到到这种物质产生的引力效应,但暗物质自己不发射电磁波,也不和电磁波发生相互作用,因此极难被探测到。

尽管物理学家已经努力了多年,但是他们对暗物质仍知之甚少,除了一点——暗物质对宇宙的稳定存在至关重要。

根据SMASH模型,科学家计算出暗物质候选者轴子的质量为50~200μeV,有望在下一代对轴子的直接探测实验中验证。

星系间分布的暗物质假想图

问题二:中微子震荡

2015年诺贝尔物理学奖被授予两位物理学家:东京大学教授梶田隆章(Takaaki Kajita)和加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳德(Arthur B.McDonald)。他们的贡献是发现了中微子在多种亚型之间的振荡转换。

具体而言就是,伴随着电子、μ介子或tau轻子产生的中微子都由一种特定的亚型构成,但是经过一定时间后,这些中微子都会变成各种不同亚型的混合体。

Takaaki Kajita和Arthur B.McDonald因发现中微子振荡而获得2015年诺贝尔物理学奖

只有有质量的粒子才能在各种不同亚型之间发生振荡变换,因此中微子必然拥有质量。但是根据标准模型,无法解释中微子的质量来自于何处。

一部分物理学家认为,中微子质量来自于希格斯波色子,另一批物理学家认为,中微子的质量来自于一种人类尚未发现的新粒子。

问题三:重子生成

困扰物理学家的最重大问题之一是:为什么这个宇宙的物质远远多于反物质?根据标准模型,宇宙大爆炸生成了等量的物质和反物质。但是物质和反物质一旦接触就会湮灭,因此这个宇宙中应该根本没有物质,只有湮灭产生的辐射。

鉴于目前的情况是这个宇宙还好好地存在着,因此人类目前对反物质的认识肯定不完全正确。那么,本该把整个宇宙化作辐射的巨量反物质去哪里了?

SMASH模型中通过所谓“热轻子生成”(thermal leptogenesis),修改宇宙早期的相变过程,引入有质量的右手中微子对正反物质不对称给出了解释。

问题四:宇宙暴胀

宇宙暴胀理论认为,在大爆炸后的极短时间内,宇宙处于一个加速膨胀期。大多数物理学家接受宇宙暴胀理论,但是目前没人能指出为什么在暴胀期,宇宙的膨胀速度比光还快——瞬间从一个亚原子粒子的大小变成一个高尔夫球的大小。

SMASH模型对宇宙暴胀的参数进行了计算,结果与最新的宇宙微波背景辐射数据相符。

问题五:强CP问题(强电荷宇称问题)

强电荷宇称问题被认为可以弥补标准模型无法解释反物质去向的不足,但它自身也存在诸多疑点。

叙述强电荷宇称问题很难。但简而言之,强电荷宇称问题描述了这样一个现象:电荷宇称不守恒现象不会在量子色动力学(QCD)中出现。宇称守恒是宇宙的基本规律,而量子色动力学解释了夸克和胶子的关系。目前没人能对这一现象背后的原因做出有说服力的解释。

在能量较低的情况下,标准模型就是SMASH模型的近似。标准模型通过跷跷板机制(Seesaw mechanism)解释中微子质量,然后通过KSVZ(Kim-Shifman-Vainshtein- Zakharov)理论对强电荷宇称问题作出解释。

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