额外维----引力为什么这么弱

撰文  CERN Accelerating science

翻译  camel

“额外维”，听起来好像科幻小说中的内容，但它可以解释为什么引力与其他力相比那么弱。

为什么引力相比其他几种基本力弱那么多呢？一块小小的磁铁所产生的电磁力就可以比地球产生的引力还要大。一种解释是，由于引力的一部分延展到了额外维，致使我们并没有感受到引力的全部作用。

尽管这听起来像科幻小说，但如果额外维真的存在，那么它们就可以来解释为什么宇宙膨胀得比预期的更快，以及为什么引力比其他几种自然力更弱。

图1：四种基本相互作用中，引力相较于其他三种作用力非常微弱。

尺度问题

在我们日常生活中，我们经验到三个空间维度和第四个时间维度。那么怎么才能有更多的维度呢？

爱因斯坦的广义相对论告诉我们，空间可以膨胀、收缩和弯曲。现在假设有一个维度收缩到比原子还小的尺度，那么它将从我们的视野中消失。但如果我们能够看到足够小的尺度，这个隐藏的维度将再次可以被我们看到。

请想象，如果一个站在钢丝上的人，他只能前后移动，却不能向左向右，或者向上向下，于是在他看来只有一维。但是蚂蚁生活在一个更小的尺度上，它能够绕着钢丝爬动而不仅仅是前后爬动，这对走钢丝的人来说看起来就像是一个额外维。

 图2：对于走钢丝的人来说只是一维的钢丝，对于能在更小尺度上运动的蚂蚁来说却是二维。

那么我们如何才能够检测到额外维呢？一个方法就是我们去找这些粒子，它们只有当额外维理论是真的时候才有可能存在。

额外维理论预言，就和原子有低能基态和高能激发态一样，在其他维度也存在相应于标准模型中基本粒子的较重的版本。这些较重版本的粒子——称为Kaluza-Klein态——具有和基本粒子相同的性质（所以也将能够被我们的探测器观察到），但具有更大的质量。

 

图3：标准模型中共包含3代夸克（u,d,c,s,t,b）和3代轻子（电子、 子， 子及对应的中微子），以及光子、胶子、Z玻色子、W玻色子和Higgs粒子。

如果CMS或ATLAS发现了一个类Z粒子或类W粒子（Z玻色子和W玻色子是电弱相互作用的媒介子），它们有例如100倍的Z玻色子或W玻色子质量，那么这可能就是额外维存在的证据。像这么重的粒子只能在大型强子对撞机（LHC，Large Hadron Collider）的高能对撞下才能发现。

 

图4：大型强子对撞机（LHC，Large Hadron Collider），现在世界上最强的粒子对撞机，坐落于法国、日内瓦和瑞士交界处。

引力子

一些理论物理家认为存在一个叫做“引力子”的粒子可以作为媒介子来交换引力，就像光子作为电磁力的媒介子一样。如果引力子存在，那么就有可能在LHC上产生它们，不过它们将很快消失进额外维中。

粒子对撞机里面的碰撞会产生对称的事例——就像烟花一样——粒子将从各个方向飞出来。一个引力子可能从我们的探测器中逃出而没有被探测到，这就会在信号中留下一个空区，我们将在探测到的结果中发现在能量和动量上的不对称。

图5：LHC的CMS探测器的一个模拟数据重建事例：两个光子对撞，产生一个Higgs粒子，随后衰变成两个强子喷柱和两个电子。

我们需要细心地研究这些缺失的对象的性质，以确定它是逃到其他维度的引力子或者是别的什么。这种通过研究结果事例中缺失能量的方法也可以用来寻找暗物质或者超对称粒子。

微型黑洞

另外一种揭示额外维的方法是通过微型黑洞的生成。在这个过程中，我们能够探测到什么将取决于额外维的个数和尺度、黑洞的质量以及黑洞产生所需的能量。如果在LHC的对撞中真的产生了微型黑洞，它们将会很快（ 10^(-27)秒）瓦解掉。随后衰变成标准模型中的基本粒子或超出标准模型的超对称粒子，在我们的探测器中将会产生一些包含异常轨迹的事例，这可以很容易区分出来。寻找更多的类似这样的信号将会为我们打开一扇走向未知的门。

本文由camel同学翻译，特此感谢！

原文题目：Extra dimensions,gravitons,and,tiny black holes