粒子物理學的標準模型一直是解釋物質的基本構建塊以及它們如何...

2020-11-23 騰訊網

粒子物理學的標準模型一直是解釋物質的基本構建塊以及它們如何相互作用數十年的主要手段。該模型首次在20世紀70年代提出,聲稱對於每個產生的粒子,都有一個反粒子。因此,這個模型構成的持久的謎團是宇宙如果理論上由物質和反物質的相等部分組成的原因而存在的原因。這種看似差異,稱為電荷平價(CP)違規,多年來一直是實驗的主題。但到目前為止,還沒有對這種違規做出明確的論證,或者說如果沒有對應物,宇宙中可能存在多少物質。但是由於國際東海至神岡(T2K)合作發布的新發現,我們可能更接近理解為什麼存在這種差異。

在1964年首次觀察到,CP違規提出在某些條件下,電荷對稱和奇偶對稱(又稱CP對稱)的定律不適用。這些定律指出,如果粒子與反粒子互換,則控制粒子的物理應該是相同的,而其空間坐標將被反轉。從這一觀察中,出現了一個最偉大的宇宙學奧秘。如果管理物質和反物質的法則相同,那為什麼宇宙是如此物質主導的呢?或者,如果物質和反物質根本不同,那麼這如何符合我們的對稱概念呢?回答這些問題不僅對我們佔主導地位的宇宙論理論很重要,它們也是理解控制粒子的微弱相互作用如何工作所固有的。

國際T2K合作成立於2011年6月,是世界上第一個通過研究中微子和反中微子振蕩來回應這個謎團的實驗。實驗開始於日本質子加速器研究中心(J-PARC)產生的高強度μ子中微子束(或μ子抗中微子),然後向295公裡外的超級神岡探測器發射。

該探測器目前是世界上最大,最複雜的探測器之一,致力於探測和研究太陽和大氣中微子。隨著中微子在兩個設施之間傳播,它們會改變「味道」-從μ子中微子或反中微子到電子中微子或反中微子。在監測這些中微子和反中微子光束時,實驗觀察了不同的振蕩速率。振蕩的這種差異將表明粒子和反粒子之間存在不平衡,因此首次提供了CP違規的第一個明確證據。這也表明科學家還沒有探索過標準模型以外的物理學。今年4月,T2K產生的第一個數據集已經發布,這提供了一些有說服力的結果。

「雖然數據集仍然太小而無法做出結論性陳述,但我們已經看到對大規模違規行為的偏好較弱,我們很高興繼續收集數據並對CP違規進行更敏感的搜索。」這些結果最近發表在物理評論快報中,包括2010年1月至2016年5月期間的所有數據。總的來說,這些數據包括7.482x1020質子(中微子模式),產生32電子中微子和135μ子中微子事件和7.471×1020質子(在反中微子模式下),產生4電子反中微子和66微子中微子事件。

換句話說,第一批數據為CP違規提供了一些證據,置信區間為90%。但這只是一個開始,實驗預計將在結束前再運行十年。「如果我們很幸運並且CP違規效果很大,我們可能會預計到2026年CP違規的3sigma證據,或大約99.7%的置信水平,」Hartz說。

如果實驗證明是成功的,物理學家可能最終能夠回答早期宇宙沒有消滅自己的方式。它也可能有助於揭示粒子物理學家急於進入宇宙的各個方面!在這裡,可以找到宇宙最深層秘密的答案,就像它的所有基本力量如何結合在一起一樣。光年是衡量宇宙天體間常用的長度單位,一光年約9.46萬億公裡,就是以光速跑一年的距離,想一想,光的速度每秒鐘就可以跑30萬公裡以這樣的速度飛奔一年,這距離應該是多麼遙遠,那麼用人類製造的宇宙飛行器去奔跑一光年大約需要多長時間呢?

如今人類的飛行器的速度的確也很快,1977年發射的旅行者一號已經飛奔了41年,每秒即可前進17公裡左右,如今已經遠在地球215億公裡之外,也是距離我們最遠的人造飛行器,然而這個距離換算下來只相當於0.00226光年,還不到20個小時,也就是說還沒有光跑一天的時間距離更遠,如果以旅行者一號的速度飛行一光年的話,它大約需要17600多年才能完成,如果它要飛到距離太陽系最近的恆星比鄰星附近的話,需要75000多年。

不過目前人類所發射的速度最快的飛行器並非旅行者一號,這個桂冠應該屬於朱諾號探測器,其速度已經達到了264000km/h,也就是說每秒鐘即可飛行73公裡多,這速度遠大於旅行者一號了,但是即便以這樣的速度飛行,一光年也需要4100年才能完成,飛到比鄰星附近也需要17300多年。

也許有的朋友會說美國人剛發射不久的帕克號太陽探測器,將創造人類史上的最快宇宙速度,大約為每秒鐘192.2公裡左右,但那是它接近太陽時的最快速度,帕克號太陽探測器不可能一直以這樣的速度運行的,即便以這樣的速度飛行一光年也需要1000多年的時間,飛到比鄰星也需要5000年左右。

所以人類如今並沒有成熟的技術可供我們進行星際航行,一是速度達不到,再就是還造不出可供人類幾千年飛行的巨型飛船,這對發動機技術也是一種巨大的考驗。

其實將來人類遠航太陽系外的時候,最有可能利用質量合適的柯伊伯帶天體,這裡的天體的運行速度本來就比較快,我們可以用氫彈轟擊的方式讓它偏離軌道,並獲得一個遠離太陽系的比較高的速度,然後人類鑽到這個天體裡面,在裡面建造地下城,那麼就可以利用這個星球的資源做長時間的星際旅行了。宇宙中有無數的天體,這些天體在遠離地球的空間遊蕩,有時,會偶爾闖進地球的軌道,最後落到地球上,如果落到地球的星體質量過大,那麼,就會對地球帶來巨大的災難,有關恐龍滅絕的原因,就被認為是一顆小行星落到了地球上,引發了各種自然災難,尤其是氣候變化,使得恐龍無法適應,最終滅絕。

而目前科學家發現有巨型天體脫離了軌道,開始落向地球,而最後的目的地就是墨西哥,一旦真的撞擊了地球,那麼就等於在地球上爆炸了十億顆原子彈。地球被隕石撞擊已經不是什麼新聞,而墨西哥似乎是隕石這種天外來客最喜歡的降落地點,目前,世界上最大的隕石坑就在墨西哥,而懷疑造成恐龍滅絕的小行星撞擊地球,就有可能是造成這個深坑的天外來客。科學家發現經常有流星闖入大氣層,落到了墨西哥灣,由於這些星體的質量不是很大,所以,沒有引起很大的後果。

但是,如此多的星體落入到墨西哥灣,卻不是很尋常的事,於是,科學家開始尋找其源頭,結果,就發現了一顆舉行星體脫離了它原來的軌道,正朝地球奔來。這顆星體呈火球形狀,直徑超過數千米,是不折不扣的巨型天體,它來源於小行星帶,不知道因為什麼原因,掙脫了引力束縛,直接朝地球而來。而且以前落入墨西哥灣的小星體,就是從這個巨型天體上脫落的,所以,一旦這個巨型的星體真的落入到地球上,那就等於在地球上引爆了十億顆原子彈,如此巨大的能量,對地球將造成毀滅性的傷害,或許,地球上將不存在生命了。

好在科學家觀察到這個巨型的形態墜落的軌道並不是對著地球,地球因此會躲過一劫。但這一次躲過,並不意味著以後將是平安的,小行星帶有無數的小行星,他們終究是地球巨大的威脅,一旦有更多的小行星,擺脫了軌道束縛,朝地球飛奔而來,那地球將如何應付?

地球的歷史上,曾經遭過多次小行星襲擊,能夠倖存的原因在於地球有大氣層保護。但是,一旦未來進入地球軌道的行星質量過大,那麼,大氣層也難以對地球實施有效的保護了,我們該怎麼辦?

編輯:王文軍

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