未登录

开通VIP,畅享免费电子书等14项超值服

开通VIP
11个物理难题牵涉的11种基本粒子《世界科学》

11个物理难题牵涉的11种基本粒子

冯诗齐/编译

总有一种适合的粒子

 

什么是暗物质? 什么是引力? 为什么宇宙如此平滑?这些谜题中每一个都含有一种粒子。在上世纪30年代末,诺贝尔奖得主伊西多·拉比(IsidorRabi)得知发现了较重的电子,他为此问道“是什么原因造成的?”在过去的四分之三个世纪里,他曾多次重复这个问题。我们现在知道,困扰拉比的μ子是仅依照其质量不同而分的三个类电子的粒子家族之一。

事情并未到此为止。什么是所谓物质的标准模型,它们之间的相互作用依赖于一整套有些为我们所熟悉、有些则不那么熟悉的粒子。今年3月在瑞士日内瓦附近的欧洲核子中心(CERN)进行质子对撞的大型强子对撞机(LHC),打算在整个第三季度搜寻由标准模型所预测的唯一尚待发现的粒子——质量的赋予者希格斯玻色子的确切踪迹。

除此之外还有更多的事情。标准模型留下了许多没有回答的问题。为什么在我们的宇宙中物质比反物质占优?什么是引力的真正本质? 什么是“暗物质”(它似乎关乎星系的维系)?尝试回答这类问题令物理学家一次又一次地走上同一种捷径:虚构一种新粒子。

弦粒子(Stringballs)

弦理论是一个将两种完全不同的尺度——由标准模型统治的量子粒子的微观世界,以及引力发生作用的宇宙距离——拉在一起的时髦企图。该理论认为,像电子和夸克这样的粒子实际上是10-35米波长、以不同方式振动着的微小的弦。

如果这样的预测完全正确,在LHC就会出现一些有趣的事情:微型黑洞就是一个令人不寒而栗的可能性,弦粒子则是另一个。当两条弦猛烈撞击成另一条,而不是结合形成一条拉伸的弦时,就成为这样的一个缠结的球。

在LHC,能量供应充足,可以大量生成弦粒子。这将是一个革命性的事件,加利福尼亚斯坦福大学弦粒子概念原创者之一的萨瓦斯·季莫普洛斯(SavasDimopoulos)说。这不仅仅是因为弦理论与下述思想关系密切,即,空间除了我们所知道的三个维度外还有额外的维度。“找到一个额外维度比发现新大陆更令人激动,”季莫普洛斯说。

到目前为止,尚没有其存在的迹象。但对粒子加速器而言为时尚早。“理论家都擅长预测现象,”季莫普洛斯说,“他们恰恰无法告诉你身在何处。”

四夸克(Tetraquarks)

有时,实验中也会有新粒子出现的迹象。十年前,全球有超过10项实验报导了“五夸克”,即由四个夸克和一个其重量为质子重量一半的反夸克组成的团块时,粒子物理学显得十分热闹。

质子以及其他标准模型中已知的复合粒子要么是由三个夸克捆绑在一起,要么是由一个夸克和一个反物质的反夸克组成的对。然而没有基本的理由相信,由四个、五个、六个甚至七个夸克组合而成的较重的粒子不存在,牛津大学的粒子理论家弗兰克·克劳斯(FrankClose)说。然而,有足够的理由相信我们在分辨它们时会很困难。例如,一个五夸克(pentaquark)的衰变预期将小于10-23 秒——“大约是光穿越粒子所花费的时间”,克劳斯说。

一闪而过的五夸克确实证明了其相当短暂。2005年,当对粒子的搜索劳而无功时,假定的发现顿时烟消云散。

然而,即便是五夸克已经破灭,“四夸克”的身价却在抬升。这些由两个夸克和两个反夸克构成的复合粒子,可能会在一个电子与其反粒子即正电子发生湮灭时产生。克劳斯说,问题在于是怎么解释:我们是确实看见了真实的紧密绑定的粒子,还是更像由两个传统的夸克-反夸克对松散而又短暂地相互连接在一起的“分子”?

当我们对LHC的结果进行筛选时,这种有关粒子发现和失落的故事一再重复。这确实是希格斯玻色子吗?还是超对称性的反映?它会迅速在稀薄的空气中消失吗?

胶子球(Glueballs)

质子的内部是复杂的。由其电荷组成的三“价”夸克生存在由突然从量子真空中生成和消失的短寿命夸克的沸腾大海之中。

拉伸这根弦的是称为胶子(gluon)的粒子的混合物。夸克既携带电荷,也携带名为色荷(colourcharge)的属性。正如光子在粒子间交换电荷而产生电磁力,胶子也在色荷夸克间进行交换。这种交换产生将其互相绑定的强核力。

除非存在差异。光子是电中性即不带电的,但胶子本身带有色荷,所以感觉到自己的力量。这就引出了一个有趣的问题:我们能否完全忘记夸克,并通过互相粘合的胶子来生成物质?

“胶子球”存在的可能性已逗引了物理学家三十年。1994年,CERN的晶筒实验(CrystalBarrel experiment)贡献出了许多公认的第一。已经二十年过去了,粒子理论家弗兰克·克劳斯(Frank Close)说,我们还无法更自信地声称这就是真的。任何数量电中性的、强相互作用的粒子,在所有想象得到的场合都将与胶子球相混合,把水搅浑。“没有什么能否定胶子球存在的想法,”克劳斯说,“但如何来证明它仍然让我头疼。”

暴胀子(Inflatons)

为什么空间如此平滑而宇宙物质的分布又如此均匀? 根据宇宙起源最通常的大爆炸模型,空间本会以任何希奇古怪的方式表现出参差不齐或扭曲。

目前的标准解释是宇宙在其诞生后就进入了迅速扩张的时期,在此期间空间区域的扩张要比光的速度更快,熨平了所有的皱纹。在这个“暴胀”背后的驱动力是一个巨大的、在其化解为其他物质和辐射前短暂主宰宇宙的能量场。

量子理论认为,任何场都有相关联的粒子——在上述场合就是暴胀子。它的存在会有一些有趣的影响。暴胀场中的量子波动使其很难彻底关闭,因此,原始宇宙的一部分仍会暴胀,形成独立演化的“多元宇宙”。

然而暴胀子的直接证据不会很快获得。“最低限度,你需要一台能产生相当于LHC能量密度万亿倍的加速器,”普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特(PaulSteinhardt)说,“然后你得解决要加速的对象,以便当它们碰撞时就会产生暴胀子。”

坡密子(Pomerons)

即便我们永远不能成功地隔离胶子球,物理学家们相信他们会找到一个地方——如LHC,当质子在加速器中只是擦边碰撞时就成为能量包交换的场所。

这些“虚拟”的胶子球由碰撞的性质决定了它们具有不同的形状和大小,对理论家而言又是一道数学难题。但还有现成的补救办法,加州大学圣塔芭芭拉分校理论家乔·普尔钦斯基(JoePolchinski)说:将它们统统都简化成“有效”的粒子,即坡密子。

坡密子在质子相互影响的模型中有着悠久的历史,时间倒推理论(pre-datingtheory)涉及夸克、胶子和强力。它们甚至是弦理论的灵感来源之一(见“弦粒子”),其最初目的是在质子从根本上赋予新的用途之前解释它。“弦理论曾被认为是一种强相互作用的理论,”普尔钦斯基说,“而它实际是引力理论。”

现在事情以另外的方式倒推。带有一个额外第五维度的弦理论,结果在我们传统的四维空间中看起来非常像强力——所以它现在可用于了解坡密子和在LHC中擦边反应所发生的情况。

这可以帮助我们钓出大鱼:这种擦边碰撞比标准的LHC迎头相撞所产生的碎片要少得多。正在开发的探测器可发现已交换坡密子的质子,并能为大肆鼓吹的希格斯玻色子提供特别清晰的视野。英国曼彻斯特大学理论家杰夫·福肖(JeffForshaw)说。

轻子夸克(Leptoquarks)

1994年,德国汉堡DESY实验室(即德国电子同步加速器实验室)的一批物理学家利用电子同质子正面相撞时,他们看到电子似乎变成了更重的对应物μ子。这一转变在标准模型中是闻所未闻的。究竟发生了什么事?

一种可能性是对撞生成了一种重量级的杂交物轻子夸克。在标准模型中,电子和质子这两种粒子,依照其各自感受的力而表现极为不同。质子及其类似物是在强力的影响下结合夸克而生成的(参见“四夸克”)。像电子和μ子这样的粒子是基本粒子,统称为轻子,它们完全不感受到强力。

大统一理论的目的在于,通过将自然界中四种力中的三种合而为一来打破这种界限。在某些理论中,当一个电子击中一个质子,如同在DESY实验室的HERA(强子-电子环形加速器)中所做,轻子夸克可以形成并衰变为一个μ 子和一个夸克。“HERA似乎是产生轻子夸克的好地方,”伦敦国王学院的理论物理学家约翰·埃利斯(John Ellis)说。

在那次实验中,没有作进一步的观察,兴奋也逐渐消退。然而,大统一理论的诱惑仍然存在——在LHC,如今依然在继续搜索轻子夸克。

超W子(Winos)

粒子物理学家们一般都是一批清醒的人群,而他们的粒子同样也并不总是真实的。

超W子在超对称性中凸显,大统一理论的构建,有利于将其归于标准模型。由于超对称性提出每个已知粒子都有一个尚未发现、通常较重的搭档,因而它修补了标准模型某些结构上的弱点。

例如,费米子是一类组成所有物质的标准模型粒子——电子和夸克——及其幽灵般的中微子亲属。在超对称性中,它们都有“超对称费米子(sfermion)”这个堂兄弟:超电子(selectrons)、标量中微子(sneutrinos)以及应声虫般的超夸克(squarks)。其他主要的标准模型粒子组,传递力的玻色子,是一些词尾加上“-ino”后缀的搭档:与光子对应的是光微子(photinos)、与胶子对应的是胶微子(gluinos),等等。因此,超W子是W费米子的搭档,是传递弱核力的粒子。

按照超对称性,所有的超对称费米子都是玻色子,而所有的“超对称玻色子(bosinos)”都是费米子。如果这一切听起来有些令人困惑,别担心:LHC尚未捕捉到预期的超对称粒子。对于许多粒子物理学家和宇宙学家来说,超W子和类似物的缺席是极为头疼的事,因为超对称性粒子为将星系绑在一起的、说不清道不明的暗物质提供了一张现成的配方(见“弱相互作用重粒子”)。

任意子(Anyons)

不要相信“有了任意子,任何事情都可为”这句话。这些二维世界的居民并不遵守常规,并不认为粒子不是费米子就应当是玻色子(见“超W子”),它们介于这两者之间,处于一种含糊不清的状态,以致诺贝尔奖得主、麻省理工学院粒子理论家弗兰克·维尔切克(FrankWilczek)给它们起了这个名字。

像电子和光子这样传统的粒子可以视为是自由空间中能量的偏离,视为量子真空中的点状“激发”。同样,任意子也会以能量激发的形式突然出现,当暴露在强磁场时,在某些金属的二维层中每个任意子似乎只携带一个电子的一部分电荷量。

在这样的场合,移动部分实际上是磁场中的光子和金属的自由电子。那么我们为什么还要发明一个新的粒子呢?其实这跟我们发明像质子这样的东西是出于同样的原因。维尔切克说:这就是他们所做的。质子是由夸克组成,但没有人看到过夸克本身,然而它常常是有意义的。比如我们在描述原子核如何工作时,就要回到质子中去处理。“原则上你可以不对独立实体的激发进行识别,”维尔切克说,“但这会显得别扭和有悖常理。”

石墨烯(graphene)是令安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)赢得2010 年诺贝尔物理学奖的单层碳原子,这种2D材料的出现,意味着任意子很快就可能会属于任何人的了。其独有的特点也使其成为支撑未来一代超级量子计算机的热门首选。

伽利略子(Galileons)

1990年代通过对来自遥远超新星的观测,发现宇宙膨胀正在加速,此事被认为最值得获得诺贝尔物理学奖。然而,其成因是什么使理论家们大挠其头。首选的成因是发自量子真空并以某种方式控制以压过平稳的引力的“暗能量”。另一个提出的成因是由我们所处宇宙中的位置而产生的虚幻效应——或简言之,引力本身在大尺度宇宙中被削弱了。

后一种解释有一个需要克服的巨大障碍。目前的引力理论,即爱因斯坦的广义相对论认为,力在任何地方都以相同的方式发生作用。其预测已经在我们所能检测的最远的太阳系尺度得到证实。

伽利略子提供了一个匀整的工作区,它们是与假设中的弱重力场相关联的量子粒子。就像相关的“变色龙”粒子,其影响由于物质的存在而被掩蔽。在相对高的密度区域,比如我们的太阳系,它们微弱的效应是感觉不到的,只有通过浩瀚的空间,即更空的宇宙才能显现——以此来解释超新星的观测结果。

这是一个好主意,但这是真的吗?答案取决于寻找可测试的、我们可用来证明这些粒子存在的效应。费城宾夕法尼亚州大学理论家马克·特罗登(MarkTrodden)说:“我们正在非常努力地了解它们可能会是什么东西。”

马约拉纳粒子(Majorana particles)

当意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳(EttoreMajorana) 1938 年从巴勒莫到那不勒斯的途中失踪时,他留下了许多谜团。其中就有:在什么情况下一个粒子又可以是其自己的反粒子。

除了它们拥有相反的电荷外,粒子和反粒子都是一样的。与超对称性的搭档粒子不同(见“超W子”),反物质是真实的——尽管在1932年它只出现在猜想之中。当时带正电荷的反电子(anti-electron),即正电子(positron)还只在宇宙射线中被观测到。

马约拉纳认为一个不带电荷的粒子与电子同属一类,而费米子,可能会有一个同样带0电荷的反粒子。这似乎很荒谬,显然是把同一个粒子计了两次?但马约拉纳粒子是超对称世界中的固定成员。这里,不带电荷的光子拥有费米子的超级搭档,这是它自己的反粒子。超希格斯粒子(Higgsino)也是一样,是希格斯玻色子的超级搭档。

就在今年2月,某些回答马约拉纳描述的现象也意外出现在正在实验的纳米尺度半导体导线中,证实了长期存在的理论预测。它们也完全有可能每时每刻正穿过我们的头顶:中微子和反中微子似乎在以不同的方式进行互动,但可能都是不带电荷的粒子,只是处于不同的运动状态。

实验可能会发现一个名为无中微子双 β 衰变(neutrinolessdouble beta decay)的核过程。传统的 β 衰变伴随反中微子或中微子的发射。在少数情况下,其中一个核可以经受两次这种衰变,会发射两个这样的粒子。如果中微子又是其自身的反粒子,这两个就会湮灭,就观测不到中微子的发射。这个过程反过来可能会揭示其所有谜团中的最大谜团之一:为什么是物质而不是反物质主宰了宇宙。

弱相互作用重粒子(Wimpzilla)

一天,物理学家洛奇·库伯(Rocky Kolb)正在伊利诺伊州沃伦维尔的杂货店购物,他疑惑该将他和他的同事刚刚发明的暗物质粒子起个什么名字。此刻,一张贴在途经的公共汽车车身上的电影海报提供了答案。这是在1998年,是刚刚发行的根据怪兽哥斯拉(Godzilla)改编的影片。于是名词弱相互作用重粒子(Wimpzilla)就这样诞生了(二者结尾都是zilla——译者)。

没有人知道暗物质是由什么组成的:我们只是知道宇宙中80℅的物质是我们的望远镜所看不到的。弱相互作用大质量粒子(Weakly-interactingmassive particles,WIMP)是一个流行的主意,在质子重量10 至 100 倍范围内,它们本当是产生于宇宙炽热的原始汤里,由引力聚集成为今日星系的种子。

但这并不是唯一的可能性。在宇宙诞生的第一秒里,在暴胀期间(见“暴胀子”),空间本身的扩张撕裂了真空的粒子。库伯和他的同事计算了它们中重量比WIMP十亿倍以上的暗粒子。

巨大的质量意味着这些弱相互作用重粒子极为罕见。它们不能在粒子加速器中产生,也不太可能由众多用于寻找WIMP的地下探测器中的某一个捕获。“它们可能是有史以来最难以捉摸的暗物质粒子,”库伯承认。

它们仍然可能会在宇宙微波背景辐射中留下细微特征,大爆炸的余辉弥漫于整个宇宙。如果我们发现任何痕迹,例如期待从欧洲航天局普朗克卫星获得的宇宙背景详图中获得,“然后想想一万年后的结果,我们就会知道宇宙是由什么组成的”,库伯说。这就是可以从发明新粒子中获得的大奖。

[资料来源:New Scientist][责任编辑:则 ]

——————

本文作者理查德·韦布(RichardWebb)、瓦莱丽·贾米森(ValerieJamieson),《新科学家》杂志特约编辑。

本站仅提供存储服务,所有内容均由用户发布,如发现有害或侵权内容,请点击举报
打开APP阅读全文并永久保存 更多类似文章
猜你喜欢
类似文章
孟胜:原子的故事——解读原子的奥秘【云里·悟理-第8课】
物理之美:从三原色到质子衰变 当阿热遇见赛先生
磁铁可以只有一极吗?它或许能打开万物理论之门
如何寻找被隐藏的新物理?
夸克之内,别有洞天
11个物理难题,11种基本粒子
更多类似文章 >>
生活服务
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!