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据美国加州大学尔湾分校官网消息,该校理论物理学家在最新一期的美国《物理评论快报》杂志中指出,匈牙利科学院核科学家数月前称,可能发现了一种未知的亚原子粒子。他们对研究结果进行梳理后认为,这一亚原子粒子并非物质粒子,而有可能是自然界中存在第五种力的证据。 该研究负责人、物理和天文学教授冯孝仁说:数十年来,我们知道自然界中存在四种基本力:引力、电磁力、强核力(又叫强相互作用力,是四种基本力中最强的)和弱核力。如果我们的结论获得证实,那将是革命性的。第五种力将彻底改变我们对宇宙的理解,导致力和暗物质的统一。 匈牙利科学家去年进行的实验是为了搜寻暗光子,也可能意味着占宇宙总质量85%左右的看不见的暗物质,他们却发现了反常现象:可能存在一种质量为电子30多倍的新的光粒子。冯孝仁解释称:匈牙利科学家只看见了反常现象,表明可能存在一种新粒子,但他们并不清楚它是物质粒子还是携带力的粒子。 随后,UCI团队对匈牙利科学家的数据及该领域所有其他实验数据进行了核查,结果表明,这种粒子不是暗光子,可能是疏质子的X玻色子,指向第五种力。普通的电力是电子和质子相互作用的结果,而新发现的玻色子仅同电子和中子相互作用,且作用范围十分有限。该研究联合作者、物理和天文学教授蒂莫西泰特说:我们已观察到的玻色子中都没有这一属性,故而也称其为X玻色子。X意味着未知。 冯孝仁指出,该粒子一直很难被发现,其相互作用非常微弱,所以,进一步研究至关重要。实验室已经拥有了制造其所需要的能量,全球科学家都能对匈牙利科学家的结论进行跟踪分析。 这一发现可能开启一个完全不同的领域。冯孝仁感兴趣的一个方向是,这种潜在的第五种力可能同电磁力、强核力及弱核力结合形成一种更大、更基本的力。来源:科技日报

编者按:瑞典皇家科学院于2013年10月8日北京时间18:45分,授予弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)和彼得·希格斯(Peter W. Higgs)诺贝尔物理学奖,获奖原因是他们预测了希格斯机制。

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科学家知道暗物质在那里,但不知道暗物质是由什么构成。这大致概括了科学家对暗物质的认识。这一认识来自于对宇宙的观察,它表明暗物质比普通物质多5到6倍。一种观点是暗物质是由相互作用的暗粒子组成,它们通过一种叫做暗光子的介质粒子相互作用,暗光子的命名类似于普通光子作为带电粒子之间的介质。暗光子也会与粒子物理标准模型所描述的已知粒子发生微弱的相互作用。

寻找暗物质粒子研究升温 旨在揭开物理学最大谜团之一

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(上图简要描述了万物理论的基本模型,自然界中有四种基本力,即强核力,弱核力,电磁力和万有引力。在100GeV的能量下,电磁力和弱核力统一成为电弱力,这一点已经得到证明。在10^15GeV的能量下,强核力和电弱力统一成为电核力,也就是大统一理论模型,在10^19GeV的能量下,万有引力和电核力统一,形成万物理论,能够用一个方程式描述所有的粒子和力)

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在墨西哥普埃布拉举行的大型强子对撞机物理会议上,CMS合作小组报告了他们对暗光子的新研究结果。这次合作使用了大型强子对撞机第二次运行时收集的大型质子-质子碰撞数据集,以寻找希格斯玻色子可能转化或“衰变”为光子和无质量暗光子的实例。着重研究了玻色子和Z玻色子一起产生的情况,Z玻色子本身会衰变为电子或它们的较重的表亲介子。这种情况预计极其罕见,要找到它们,需要推断出潜在暗光子的存在

图片来源:Mark Stone

2013年诺贝尔物理学奖,颁给了弗朗索瓦·恩格勒(上)和彼得·希格斯(下),以表彰他们在发展赋予基本粒子以质量的希格斯机制方面所做的贡献。图片来源:news.com.au

图解:万有理论由大型强子对撞机中的紧凑μ子线圈得到的希格斯玻色子产生时的景象。它由大型强子对撞机中的紧凑μ子线圈得到的希格斯玻色子产生时的景象。它是通过衰变为强子喷流的质子与电子的碰撞形成的。是通过衰变为强子喷流的质子与电子的碰撞形成的。

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本报讯 对一种被称为轴子的微小粒子的探寻如今正在如火如荼地进行。这种粒子可能构成了暗物质,而正是后者的引力阻止了星系的分崩离析。

如果把物质分割得越来越小,会发生什么?

20世纪70年代中期,史蒂文·温伯格、阿布杜斯·萨拉姆和谢尔登·格拉肖所做的研究成果令科学家们为之一振,他们创造了电磁力和弱核力的统一理论,即电弱统一理论。物理学家格拉肖、乔治等人提出,使用一种叫做“群论”的算法,可以通过“SU”的对称性将弱核力和电磁力与由胶子介导的强核力结合起来。这个理论后来成为了物理学界众所周知的大统一理论或缩写为”GUT”,并迅速衍生出许多类似理论,包括“超对称性大统一理论(SUSY- GUTs)”、“超重力理论”和“具有额外维度的超对称性大统一理论”。直到上世纪80年代初大统一理论为弦理论所取代。

对撞机质子-质子碰撞事件,特征是一个介子-反介子对,一个光子和巨大的横向动量丢失。图片:CERN

物理学家在4月9日出版的《物理评论快报》上报告称,美国西雅图市华盛顿大学的轴子暗物质实验终于达到了探测轴子所需的灵敏度,前提是如果它们真的构成了暗物质。

最终,你会得到构成物质的分子或者原子。但这些东西还能进一步分解成电子和原子核。而原子核又可以继续被分割成构成它们的质子和中子。它们的内部则是夸克。

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而粒子探测器是看不到的。为此,研究人员将检测到的粒子在横向方向上的动量(即与质子对撞光束成直角)相加,然后找出所有缺失的动量,以使总动量为零,这种缺失的横向动量表明有一种未被探测到的粒子。但要区分可能存在的暗光子和已知粒子还有一个步骤。这需要估计衰变为探测到的光子和未探测到粒子的质量。如果丢失的横向动量是由希格斯玻色子衰变产生的暗光子携带

然而,研究人员并不知道轴子的重量到底有多少,并且他们可能需要数年时间才能够扫描完可能的质量范围。

到了这一步,你就已经抵达了标准模型(我们当前的粒子物理学理论)之中,我们视为是基本的那一层面。不管你一开始分割的是什么物质,到了这个地步,你都会得到一大堆夸克和一大堆电子之类的粒子。

在上世纪70年代末,80年代初,大统一理论是如此的激动人心,因为它似乎可以用通用的数学语言来解释强核力,弱核力以及电磁力。其最主要的论断是,在高达1000*10亿*10亿伏特(10^15吉电子伏)的巨大能量下,强核力会和电磁弱核力相似。将这些观点应用到宇宙学当中也催生了暴胀宇宙学。

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轴子是一种假设的粒子,它于41年前被科学家提出,用来解决强核力理论中的一个问题。强核力将被称为夸克的粒子结合在一起,从而形成了质子和中子。

夸克事实上还可以分成6种:构成质子和中子的是较轻的上夸克和下夸克,另外还有较重的奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。电子则属于另外6种粒子构成的另一个家族,即轻子:包括电子的两种质量更重的“表亲”——μ子和τ子,以及与它们一一对应的3种几乎没有质量的中微子。所有这12种物质粒子,被统称为“费米子”,都各自拥有一种与它们完全相同、只是电荷相反的反物质粒子。就是这样了。物质不可能再分割到比这些基本粒子更小了。

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那么这个质量应该与希格斯玻色子质量相对应。CMS的合作研究采用了这种方法,但没有发现暗光子的信号。然而,这次研究为信号被发现的可能性设定了上限。另一个零结果吗?是的,但是像这样的结果以及在普埃布拉会议上发表关于超对称性的阿特拉斯结果,虽然没有发现新的粒子或者排除它们的存在,但是对于指导未来的研究工作,无论是实验的还是理论,都是非常需要的。

然而,轴子可能具备双重功能,即同时还可供暗物质使用——宇宙论研究显示,暗物质占所有物质的85%。

如此简洁的基本粒子组合,与实验事实完美吻合,但其中隐藏着一个令人费解的难题。所有这些物质粒子都有一个属性,被称为“质量”——这是一种抗拒被移来移去的属性。不同粒子的质量各不相同,从质量最轻的电子中微子到质量最重的顶夸克,跨越超过11个数量级之多。这些质量来自何方,为什么又如此千差万别呢?

如今,粒子物理标准模型应用了大统一理论的一些基本概念,将物理量统一起来。物理学家们努力寻找希格斯玻色子,试图证实大统一理论中的几个基本观点,比如“自发对称性破缺”。在2012年,也就是预测出希格斯玻色子的存在的50年后,科学家们在大型强子对撞机上发现了这种难以捉摸的粒子。这是一个跨时代的发现,因为它证明了自发对称性破缺的整个概念应当是有效的。上世纪70年代中期,史蒂文·温伯格、阿布斯·萨拉姆和谢尔登·格拉肖因电弱统一理论而获得诺贝尔奖,而自发对称性破缺正是该理论的核心,同时也是大统一理论数学计算中的重要概念。

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到目前为止,暗物质仅仅通过它的引力揭示其自身,所以物理学研究的最大谜团之一就是构成暗物质的粒子到底是什么。

破缺的对称

在标准模型之中,构成物质的费米子通过作用力发生相互作用,而作用力是由另一大类被称为“玻色子”的粒子传递的。以电磁力为例,是它使得原子能够形成,驱动电流在我们的电器中奔腾,而传递电磁力的玻色子则是光子。光子与物质的相互作用取决于电荷的多寡:电子(携带1个负电荷)感受到的电磁力,就要强于夸克(携带-⅓或者 ⅔个电荷)。不带电荷的中微子,根本感受不到电磁力。

夸克还拥有各自的“色荷”,被称为胶子的粒子依据色荷产生强核力。这种力要比电磁力强得多,但奇怪的是,胶子本身也携带色荷,因而会彼此粘黏在一起。于是,我们从未见到过夸克和胶子以游离态的形式自由自在地漫游,只能在质子和中子之类的粒子内部才能看到它们——强核力的作用范围也不会超出亚原子尺度的范畴。

至于标准模型中的第三种作用力,弱核力的强度相当弱,但如果没有它,驱动太阳和其他恒星的放射性衰变就不会发生。这种力之所以微弱,大约是因为携带这种力的粒子——W玻色子和Z玻色子——质量几乎是质子的100倍。创造出这样的粒子需要大量能量。在通常条件下,如果可以的话,物质粒子更愿意交换没有质量的光子来发生相互作用。

在极高的能量下,比如在宇宙诞生的最初一瞬间,或者粒子加速器的对撞当中,这些差异就消失了。电磁力和弱核力,在日常生活中相差如此之巨的两种作用力,变成了统一的“弱电力”。

弱电力分裂成电磁力和弱核力的过程,被称为弱电对称破缺,必定发生在宇宙早期的某一时刻。不管是什么导致了这一过程的发生,它与质量之谜都有着明显的关联。毕竟,通过这一机制,W玻色子和Z玻色子获得了质量。希格斯玻色子最初就是提出来解释这个对称为什么会破缺的。

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9778818威尼斯官网不错终极理论,贰零壹叁诺Bell奖。如果暗物质由漂浮在周围的轴子组成,那么从理论上说,物理学家应该能够用一个足够强大的磁场以及一部非常灵敏的无线电发射器探测到它们。

概念的诞生

对称破缺并不仅限于奇异的作用力。日常生活中我们都会遇到一个例子,那就是液体冷却后变成固体。对于液体来说,从所有方向上看过去,它都是一样的。而对于固体来说,沿着不同的轴向看过去,它的样子会有明显的区别。在这个过程中,前面这种广义上的对称状态被后面这种不太对称的状态取代了。

上世纪60年代,粒子理论学家开始研究,能不能发展出一些工具来描述这种对称破缺,以便应用于不断冷却的宇宙。这绝非易事。固体或液体之中分子的相互作用,可以通过一套固定的参照坐标系来定义,然而由于爱因斯坦的广义相对论,在宇宙之中你找不到这样一个标准的参照系。

1964年,比利时理论学家罗伯特·布绕特(Robert Brout)和弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)提出了量子场方程,这种场能够弥漫于整个宇宙,在符合相对论的前提下产生弱电对称破缺。英国物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)提出了同样的方程,并且指出这个场中的涟漪会表现为一种新的粒子。同年稍晚些时候,杰拉德·古拉尼(Gerald Guralnik)、卡尔·哈庚(Carl Hagen)和汤姆·基博尔(Tom Kibble)将这些概念整合成了一种更为现实的理论——这就是标准模型的前身。

9778818威尼斯官网 13共有6位科学家在希格斯机制的发展过程中做出过贡献,从左到右分别是:弗朗索瓦·恩格勒、卡尔·哈庚、杰拉德·古拉尼、彼得·希格斯、汤姆·基博尔和罗伯特·布绕特(已故)。图片来源:《新科学家》

后来被称为希格斯场的这个东西,它的中心思想就在于:即使处于最低能的状态,空间也绝非空无一物。在空间中穿行的粒子或多或少会与这个场发生作用,这种作用使粒子在运动时产生了一种“粘黏”的特性,也就是质量。W玻色子和Z玻色子通过与这个场的某种相互作用获得了它们的质量,费米子则通过另外一种相互作用获得了质量。由于希格斯场不携带净的电荷或者色荷,光子和胶子根本不与它发生作用,因此仍然没有质量。

这是个漂亮的花招。为了找出还有没有更多的东西,我们需要曝光希格斯场,方法就是让它产生涟漪,而那些涟漪会被我们看成为希格斯玻色子。理论和实验的发展让我们对所需的能量有了一个很好的估计:希格斯玻色子的质量必定介于大约100 GeV到400 GeV之间。我们需要找一个相当巨大的机器才行。

20世纪70年代,关于大统一理论的研究正蓬勃发展,物理学界发现了自然界中有一种新的“超对称性”,虽然那时还并未找到这种超对称性。但同时也有不如人意的事,当时的标准模型中具有几十个可调实验常数,这些常数都需要进行微调,从而和我们物质世界中包含的常数保持相同。这些常数包括万有引力常数,光速,精细结构常数,确定轻子和夸克的相互作用程度的常数。物理学家们认为这难度过大,所以他们正在寻找一种更好的理论,能够使用更少的特殊常数,还有一个问题是,标准模型中不包括重力。

磁场会把轴子转换成光子,并且轴子的重量非常轻,因此这些光子的无线电频率将会非常低,而且应该在一个独特的频率上提供超微弱的无线电波。

新粒子现身

希格斯玻色子是短命的粒子,几乎会在一瞬间就衰变成其他粒子。为了推断出它的存在,我们必须测量这些衰变产物,寻找它们是从一个希格斯粒子衰变而来的证据。

幸运的是,标准模型预言出了我们需要知道的、有关希格斯玻色子的一切——除了它确切的质量。对于每一个可能的质量,我们能够预言大型强子对撞机(LHC)中能够产生的希格斯粒子的数量,并且预言它们会衰变成什么。

例如,希格斯粒子有时应该会衰变成一对高能光子。由于粒子衰变时动量守恒,这两个光子的动量就可以换算为产生这两个光子的粒子的质量。许多现象都会产生一对光子,但如果我们专注于那些看上去像是希格斯玻色子产生的光子,然后把它们的动量绘制在一张图表上的话,在对应于特定质量的动量数值上就会出现一个“鼓包”——某种未知的粒子就会以这样的形式显现出来。ATLAS和CMS都在质量相当于大约125 GeV的位置上看到了这样的鼓包。2012年7月4日,他们向全世界宣布了这一结果。

9778818威尼斯官网 14观测到的这个“鼓包”表明,在质量大约为125 GeV的地方,存在一种新的粒子。图片来源:《新科学家》

这并不是唯一的证据。希格斯玻色子还应该会衰变成两个Z玻色子,然后再进一步衰变成两个轻子。把这些轻子的动量加在一起,在光子数据中相当于同样质量的位置上,也产生出了一个峰值。W玻色子也提供了它们的证据。这些粒子衰变成为中微子,后者还没有被检测到,因此在这个实验中还没有出现明确的质量鼓包。相反,我们只看到了更多的W玻色子衰变,数量比希格斯玻色子不存在的情况要多。

总而言之,这些证据刚好足够达到宣称发现的“5σ”黄金标准,表明这一发现大概只有1/3500000的可能性是随机统计噪声所造成的假象。在那之后,对于那里真的存在一个粒子,我们的确定性还在进一步增长。不过,我们还必须进行更多的实验,才能确定它是不是我们所认为的希格斯玻色子。

ATLAS和CMS

当两个质子在大型强子对撞机的ATLAS和CMS探测器的核心对撞时,它们会分解成构成质子的夸克和胶子,进而衰变成朝各个方向四散奔逃的大量粒子。这些探测器的任务就是测量或者分辨这些碰撞产物。

每个探测器都由一系列同心环构成。距离碰撞点最近的同心环由半导体构成。如果带电粒子穿透这层半导体,被松散约束在这种材料的原子之中的电子就会被释放出来,形成特定的电流,让科学家能够精确测量这些粒子的穿行路线。探测器周边的磁场会弯曲这些带电粒子的路线,弯曲的程度表明了这些粒子的动量。

再向外一个同心环,则由填充着液态氩(ATLAS)或者钨酸铅晶体(CMS)的探测器构成。与这些探测器中密集排列的原子发生的碰撞,会让大多数粒子停滞在其中,这些粒子减速时发出的光子可以用来测量那些粒子的能量,从而鉴别它们的身份。

电子较重的“表亲”,也就是μ子,不会在这些探测器中止步,但更外一层同心环中的专用探测器会鉴别和测量它们。对于更难以捉摸的中微子,则完全没有进行测量。它们的存在是通过统计碰撞中产生的所有其他粒子的动量而推断出来的。

每次都有许多质子-质子同时发生碰撞,这些碰撞产生的粒子接近光速向外飞出,而需要仔细研究的碰撞必须尽快筛选出来,因为不到50纳秒之后,又会有另外两束质子在探测器的核心发生对撞。大型强子对撞机目前正在升级,升级完成之后,这个时间会缩短到25纳秒。如此大量的数据,会传送到世界各地被连接在一起的计算机中,经由大量计算来鉴别希格斯玻色子是否存在。

9778818威尼斯官网 15大型强子对撞机中发生的每一次质子-质子对撞,都会产生大量接近光速向外飞散的粒子。正是从这些乱麻中找出的线索,帮助CERN的物理学家发现了新的粒子。图片来源:《新科学家》

大型强子对撞机

爱因斯坦提出的最著名的一个方程,E = mc2,将能量和质量联系在了一起。后果之一便是,当大质量粒子高速对撞在一起时,释放出来的能量能够用来创造出其他的大质量粒子。瑞士日内瓦附近CERN的大型强子对撞机,已经花了两年时间,将能量高达4 TeV的质子对撞在一起。将携带这么多额外能量的两个质子对撞在一起,理论上,你能够创造出8000多个质子。

LHC位于一条27千米长的隧道之内。通常,它被描述为一个环,但实际上,它更像是一个边角有些圆的八边形。在直线段,强大的电磁场给两束相对运行的质子束注入能量,每次经过都会给它们加速。等到对撞时,它们的速度已经达到了光速的99.999999991%。

要弄弯如此高速运动的粒子束,你需要非常强大的磁铁。电阻带来的任何能量损失,都会成为运行时的短板,因此磁铁必须由超冷的超导材料制成。即使如此,它们也只能把粒子束弄弯一点点——这就是LHC被建造得如此巨大的原因所在。

在八边形的4个边上,更多磁铁将质子束约束到还不到人头发丝粗细,然后让它们迎头相撞。4个大型探测器:ATLAS、CMS、LHCb和ALICE,会在各个碰撞点上记录碰撞结果。ATLAS和CMS是全功能探测器,设计用来测量到底撞出了什么东西——包括搜寻转瞬即逝的希格斯玻色子。

9778818威尼斯官网 16大型强子对撞机,位于日内瓦附近一条长达7千米的地下隧道之中。正是在那里进行的质子对撞实验,可能发现了传说中的希格斯粒子。图片来源:startswithabang.com

尚未回答的问题

标准模型是一个巨大的成功。然而,就算有了希格斯玻色子为它加冕,它也仍然是不完整的。引力在标准模型中明显缺席,而且它也无法解释暗物质——这种东西只能通过它的引力作用在天文观测中被察觉到。接下来还有一个谜题:为什么物质会比反物质多这么多,因为标准模型预言,它们的数量应该差不多是相等的。

粒子物理学的下一步,必须要解释这些谜题。比如,我们有可能在大型强子对撞机的质子碰撞中产生出暗物质粒子,或者在深埋于矿井和坑道之中的几个实验装置中避开宇宙线的干扰而搜寻暗物质粒子的踪迹。另一种途径是,我们或许可以观察空间中两个暗物质粒子湮灭而产生的高能粒子来间接地观察暗物质,比如正在国际空间站上展开实验的阿尔法磁谱仪(AMS)。

至于反物质,CERN的实验或许可以制造并且存贮它们,我们甚至在正电子发射断层扫描仪(PET)中利用它们来帮助医生诊断癌症。LHCb实验装置会检测质子-质子碰撞中产生的短命粒子的衰变,寻找反物质粒子何以如此稀少的证据。

中微子也可能会提供一些帮助。这些幽灵一般的粒子在空间中穿行时,会在3种中微子之间相互变换。在中国和韩国之间测量不同中微子混合程度的实验暗示,正反物质的失衡可能也存在于中微子当中。自然界中观察到的正反物质差异,和标准模型的预言之间存在的巨大鸿沟,或许可以借此得以弥补。

更古怪的是,中微子的质量甚至有可能根本不是通过希格斯机制获得的。因为中微子不携带任何的“荷”,它自己就是自己的反物质。果真如此的话,它的质量可能来自于它与自身的相互作用,而并非来自于它同希格斯场的相互作用。灵敏的地下实验装置正在寻找极其罕见的核衰变,那些衰变或许会告诉我们答案。

9778818威尼斯官网 17大型强子对撞机中的质子-质子对撞,能够产生出希格斯玻色子,但希格斯玻色子转瞬就会衰变成其他粒子。通过分析衰变产物,科学家能够反推出希格斯玻色子。图片来源:《新科学家》

符合标准模型吗?

如果承认已经诱捕到的就是希格斯玻色子,我们就没有任何转还的余地了——因为标准模型已经预言了关于它的所有一切。

尽管我们相当确定,新发现的粒子正如希格斯粒子那样会衰变成携带作用力的玻色子,但我们还不太确定它会不会衰变成构成物质的费米子。在更为罕见(或者说隐藏更深)的衰变中,希格斯粒子会衰变成底夸克、τ子,甚至μ子。升级之后的大型强子对撞机应该能够精确地测量这些衰变。

标准模型还对希格斯粒子应该如何与顶夸克发生相互作用给出了明确的预言。(希格斯粒子无法衰变成顶夸克,因为顶夸克太重了。)任何不同于预言的偏差,都将为新物理学提供一丝迹象。

最让人捉急的问题在于这个粒子的质量。在标准模型中,希格斯粒子与它自身及周围粒子的相互作用似乎暗示,它应该拥有巨大的质量。但大型强子对撞机中发现的这个粒子,质量要小得多。

对标准模型加以“微调”,让两个巨大的数字几乎(但又不完全)相互抵消,应该能够解决这个问题,使得希格斯粒子拥有较小的质量。但许多人不喜欢这种修正,认为这样的修正让理论变得有点不自然了。

一个受人欢迎的提议能够解决这个问题,那就是超对称。这种理论通过费米子和玻色子之间的一种对称,扩展了标准模型。它预言了一大批新粒子,每一个玻色子都有一个费米子与它对应,反之亦然。这些新粒子之间的相互作用,能够自然而然地抵消使得希格斯粒子质量增大的那些因素。

问题在于,不论是大型强子对撞机,还是任何其他设备,目前都还没有看到任何证据表明存在这些粒子——事实上,它们没有找到任何证据支持任何超越标准模型的理论所作的预言。如果我们找到了一个希格斯粒子,却没有找到任何其他东西,或许我们就必须承认,自己生活在一个看似有点不太自然的世界之中。又或者,我们只是漏过了标准模型自身的某些细微之处。而最让人激动人心的事情莫过于,在标准模型之外还有另一层全新的宇宙结构在等待着我们去发现。

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在物理学家的这项新研究成果中,ADMX的研究人员在2.66微电子伏特到2.82MeV(大约是电子质量的20百万兆分之一)的范围内排除了轴子存在的可能性。

是希格斯粒子吗?

等到大型强子对撞机在2015年年初重启之时,它会以更高的频率碰撞粒子,能量则比升级前几乎翻番。如此一来,科学家便能探测新发现粒子的若干特性,检验它到底是不是给所有其他粒子赋予质量的那个粒子。

自旋便是有待探测的特性之一。希格斯玻色子之所以被归类为玻色子,是因为理论预期它的自旋应该为整数——这就使它与光子之类携带作用力的粒子被归入了同一大类。目前发现的所有玻色子,自旋都为1;而构成物质的粒子,比如夸克和电子,自旋都为半整数(比如1/2)。

但是,希格斯粒子并不是作用力的携带者。作为赋予其他所有粒子质量的一个背景场所产生的粒子,希格斯粒子必定能够与所有其他粒子发生相互作用,不管它们自旋是多少——这种情况,只有当它的自旋为0时,才有可能出现。目前的证据已经相当具有说服力,但对这种新粒子的衰变产物的角分布进行更精确的测量将告诉我们,有没有什么变故隐藏在其中。

另一个关键问题在于,新发现的粒子如何与W玻色子和Z玻色子发生相互作用。科学家认为,正是通过这些相互作用,希格斯玻色子才把弱电力分割成了电磁力和弱核力。现在,我们已经有一只脚站在了更坚实的土壤之上:新粒子衰变成W玻色子和Z玻色子的概率与标准模型预言的希格斯玻色子大致相符。进一步的测量或许会揭示它与标准模型的细微差异,也可能会揭示某些扩展模型中预言的其他希格斯玻色子。

9778818威尼斯官网,但是,我们已经了解到了足够多的信息,把新发现的粒子称为某种希格斯玻色子,肯定是没错的。

 

编译自:《新科学家》,The Higgs Boson

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当时,人们曾希望万有引力能以某种方式融入到大统一理论当中,但由于弦理论的出现,这一希望最终未能实现。因为弦理论为我们提供了一种新方法----将万有引力视为“量子场”。由于最流行的弦理论版本含有超对称性,因此它们被称为超弦理论。

物理学家认为,如果暗物质仅仅是由轴子组成的,那么这种粒子的质量必须在1MeV和100MeV之间。因此,ADMX的研究人员现在将把他们精心设计的无线电天线的频率尽可能地向上提升——调至大约40MeV。

超对称性已经发展成为许多理论里能够统一包括引力在内的所有四种相互作用力的关键概念,然而,在欧洲核子研究中心大型强子对撞机对其迹象进行了5年的寻找之后,仍然没有发现它的踪迹。标准模型就摆在那里,但其中的强核力和电弱力可能无法进一步统一。

轴子是粒子物理与天体粒子物理和凝聚态物理预言“存在”的一种亚原子粒子,是正负电子对撞后的一种“次级”粒子,是在玻色子能级的“衍射 辐射”能量丢失“逃逸”的极化新粒子。轴子粒子以一种能量轴线延“一维度时间空间”做线性跃迁角动量运动。

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暗物质是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质,它可能是宇宙物质的主要组成部分,但又不属于构成可见天体的任何一种目前已知的物质。

大统一理论

大量天文学观测中发现的疑似违反牛顿万有引力的现象可以在假设暗物质存在的前提下得到很好的解释。现代天文学通过天体的运动、引力透镜效应、宇宙的大尺度结构的形成、微波背景辐射等观测结果表明暗物质可能大量存在于星系、星团及宇宙中,其质量远大于宇宙中全部可见天体的质量总和。结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测和标准宇宙学模型可确定宇宙中暗物质占全部物质总质量的85%。

大统一理论是粒子物理学的一个标准模型,这个标准模型描述了在高能量下,三种基本力----强作用力,弱作用力和电磁作用力会融合成为一个力。尽管未能直接观察到这种统一力,许多大统一模型都理论证明其存在。如果这三种相互作用确实能够统一,那么也意味着,在宇宙初期,这三种基本力并无分别时,存在着大统一的时期。

《中国科学报》 (2018-04-11 第2版 国际)

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实验证明了在高能量下,电磁相互作用作用和弱相互作用会统一为电弱相互作用。大统一模型预测在更高的能量下,强相互作用和弱磁相互作用为统一为电核相互作用。这种相互作用的特征是一个更大的对称性,有几个力载体,但只有一个统一的耦合常数。将万有引力与电核的相互作用统一起来,就会产生万物理论。大统一理论通常认为是万物理论的中间步骤。

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