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一个理论,同时解决物理学的五个大问题

“每当我跟那些非物理专业的人解释基本粒子物理学的时候,我总是觉得局促不安。它看起来非常的随意,一系列基本粒子的质量没有任何的规律。”

——Leonard Susskind


物理学家Guillermo Ballesteros和他的同事提出了一个新的理论模型,可以同时解决物理学中五个最困难的基本问题,分别是暗物质、中微子振荡、重子数产生、暴胀和强CP问题



论文的摘要。(? Ballesteros et al.)


这个新理论被称为SMASH,该模型在粒子物理学的标准模型的基础上做一些添加。标准模型描述了宇宙中的万物,包括了一系列的基本粒子,以及这些粒子如何通过基本力相互作用。尽管标准模型成功地通过许多的实验验证,但是有一些现象是它无法解释的。比如下面这五个大问题:

  1. 如果标准模型中的粒子是宇宙中所有的粒子,那么我们就不会看到星系、星系团以及大尺度结构。为了解释这些就需要暗物质的存在,而构成了宇宙质量的84%的暗物质的本质是什么我们并不知道?

  2. 根据标准模型,中微子应该完全是没有质量,但是通过观测中微子振荡现象,发现它有着非零却非常小的质量。但是,是什么机制使中微子的质量相比其它的基本粒子要小如此之多?

  3. 根据已知的粒子和相互作用,宇宙中的物质和反物质应该是等量的。但很明显我们所处的宇宙是由物质构成的,而不是反物质。宇宙的这种基本不对称性是什么导致的?

  4. 在宇宙年轻的时候曾经经历了一次指数式膨胀,称为暴胀,是什么触发了暴胀的发生?

  5. 弱相互作用和强相互作用中,都应该允许CP-破坏,但我们的宇宙似乎只允许弱核力违反这个特别的对称,而强核力并不,为什么会这样?



粒子物理学的标准模型。(? NSF)


如果标准模型是个完美的理论,我们就不会有这些疑问。要同时解决这五个问题,有一个“简单”的方法,那就是发明新的粒子,超越标准模型的粒子。事实上,这些粒子很容就能够被制造出来。你所要做的就是将物质和反物质在一个非常高的能量下对撞,根据E=mc2,就会产生许多的粒子。在过去的50年里,对撞机已经越来越强大,从几MeV的能量等级一直提升至GeV的范围,到了费米实验室和大型强子对撞机建立后,能量以及可以达到TeV的范围。通过粒子对撞,我们期待看到一些新的粒子。


但问题是我们需要多少个新粒子才能解决这些问题?


有一些模型,比如超对称,把粒子的数量增加了几百个,但目前在大型强子对撞机中没有找到一个预言的新粒子。而SMASH理论只需要六个新粒子:三个中微子,一个费米子,以及一个场(包括了两个粒子)



Shaposhnikov模型的拉格朗日量。


SMASH的全称是Standard Model Axion Seesaw Higgs portal inflation,从名字就可以看出来它是几个理论的结合。SMASH建立在Shaposhnikov在2005提出的一个模型上【文献2】,该模型通过加入三个中微子就可以解决其中的四个问题:暗物质、暴胀、关于中微子本质的问题以及物质的来源。



超级神冈探测器:寻找中微子。(? Kamioka Observatory)


SMASH加入一个新的场以稍微不同的方式解释了这些问题,这个场包括了两个新粒子:轴子(axion),是暗物质候选者的黑马;以及暴胀子,暴胀背后的一种粒子。SMASH利用该场解决了第五个谜题:强CP问题,帮助我们解答为什么物质要比反物质多。


我们总是可以提出许多新的理论,但要是这样的一个理论永远不能被验证,那就不是真正的科学了。一个好的科学理论应该包括三点:

  • 可以复制旧理论的成功;

  • 可以解决已出现的问题;

  • 可以预言新的现象,并且可验证。


而SMASH理论最好的地方就在于它在接下来的10年内应该就可以被验证。SMASH预言的轴子要比电子轻大约100亿倍。世界上已经有许多的实验在寻找轴子的踪迹,比如韩国正在运行的CULTASK实验,美国提出的ORPHEUS实验,和德国计划中的MADMAX实验。


当然,这并不代表该理论一定是正确的,物理学家在寻找实验证据的同时也在寻找更好的理论模型。


参考文献:

【1】https://arxiv.org/pdf/1608.05414v1.pdf

【2】https://arxiv.org/pdf/hep-ph/0604236v2.pdf


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