當宇宙亞原子粒子在鏡子中翻轉時,它們之間幾乎所有的基本反應看起來都是一樣的。在物理學中,鏡像被稱為奇偶校驗,然後被稱為對稱,或者說具有奇偶校驗對稱性。
當然,不是每個人都遵守規則。例如,我們知道,涉及弱核力的反應違反了宇稱對稱性,這對於一大堆其他原因來說也很奇怪。因此,顯然量子世界中的其他力量和粒子也是這一領域的規則破壞者。
物理學家對這些其他假設反應有一些想法,這些反應在鏡子裡看起來不一樣,因此會違反宇稱對稱性。這些奇怪的反應可以指引我們走向新的物理,幫助我們超越粒子物理的標準模型,這是我們目前對亞原子所有事物的總結。
不幸的是,我們永遠也不會在我們的原子粉碎機和實驗室裡看到這些奇怪的反應。這種相互作用太罕見和微弱,無法用我們的儀器來探測,因為我們的儀器被調整到其他種類的相互作用。但是可能會有一些罕見的例外。
奇偶對稱
位於日內瓦附近的世界上最大的原子對撞機——大型強子對撞機(LHC)的研究人員一直在尋找這些罕見的相互作用。到目前為止,他們空手而歸,但即使是這樣的結果也很有啟發性。這些負面結果有助於從考慮中剔除無用的假設,讓物理學家在尋找新物理的過程中關注更有希望的途徑。
所有物理學中最重要的概念之一是對稱性。你甚至可以合理地認為物理學家只是對稱性獵人。對稱性揭示了支配現實最深處運作的基本自然法則。對稱性很重要。
看著鏡子中的過程,叫做奇偶對稱。無論是在你面前還是在鏡子裡,物理學中的大多數亞原子相互作用都會給你一個完全相同的結果。但是有些相互作用違反了這種對稱性,比如弱核力,特別是當中微子是在涉及該力的相互作用中產生的時候。
中微子總是「向後」旋轉(換句話說,它們的旋轉軸指向遠離運動方向的方向),而反中微子則「向前」旋轉(它們的旋轉軸指向正前方,因為它們在周圍飛行)。這意味著,與依賴弱核力的鏡面翻轉實驗相比,常規實驗中產生的中微子和反中微子的數量有非常細微的差異。
弱核力和弱核力本身就違反了對稱性
我們知道超出我們目前理解範圍的物理現象必須存在。其中一些假設的想法和概念也違反了對等的對稱性。例如,這些理論中的一些預測了其他正常相互作用中的微妙不對稱,這些相互作用涉及到LHC通常研究的粒子種類。
當然,這些假設的想法是奇特的、複雜的,很難檢驗。在很多情況下,我們並不確定自己在尋找什麼。
問題是,雖然我們知道我們目前關於粒子世界的概念,叫做標準模型,是不完整的,但我們不知道在哪裡尋找它的替代品。許多物理學家希望LHC能揭示一些東西——一個新粒子,一種新的相互作用,任何東西——來指引我們走向一些新的和令人興奮的東西,但是到目前為止,所有這些研究都失敗了。
許多超越標準模型(如超對稱性)的前領先者理論正在被慢慢排除。這就是奇偶對稱違反可能有用的地方。
幾乎所有標準模型的常見假設擴展都包括這樣的限制,即只有弱核力違反奇偶對稱性。(如果你想知道這是如何工作的,這是模型的基礎數學。)這意味著像超對稱,軸對稱和leptoquarks這樣的概念都會使這種對稱性確切地破壞它的位置,而不是其他地方。
剝離奇偶校驗
因此,一組研究人員在LHC的Compact Muon Solenoid(CMS)實驗中發現的數據緩存中搜索了奇偶校驗違規;他們在4月29日發布給預印本伺服器arXiv的一項研究中詳細描述了他們的結果。這是一個相當棘手的搜索,因為LHC並沒有真正設置為尋找奇偶校驗違規。但研究人員巧妙地通過檢查其他粒子之間相互作用的剩餘物來找到一種方法。
結論:沒有發現違反奇偶校驗的跡象。Hooray為標準模型(再次出現)。雖然這項研究沒有開闢物理學的新領域有點令人失望,但它將有助于澄清未來的研究。如果我們繼續尋找,仍然沒有發現弱核力之外的宇稱違反的證據,那麼我們知道,標準模型之外的任何東西都必須有一些與主流理論相同的數學結構,並且只允許弱核力在鏡子中看起來不同。