粒子標準模型有錯?科學家急切想要找出其中的漏洞!

2021-01-13 遨遊世界科學

眾所周知,粒子物理學的標準模型佔據了粒子界的主導地位,在幾十年的時間裡,它成功地通過了來自世界各地實驗的挑戰。這一理論將我們對宇宙四種基本力中的三種——電磁力、強核力和弱核力——的理解統一在一個量子理論下。總而言之,這是所有科學中最久經考驗的理論,能夠解釋大量的基本相互作用。

然而,我們知道這個粒子模型遠非完美。舉幾個例子,它不能解釋中微子質量,也不能給我們關於暗物質的線索。絕大多數物理學家相信,還有另一種理論,它包含了標準模型所能解釋的一切和它所不能解釋的一切,因此科學家急切地想要找出粒子標準模型的漏洞,企圖發現標準模型不為人知的一面。那麼這就要從粒子開始講起。

粒子的「味」

粒子原是指能夠以自由狀態存在的最小物質組成部分。最早發現的粒子是原子、電子和質子,但後來科學家發現粒子並不是像中子、質子等實際存在的具體的物質,而是它們的統稱粒子,其中還有許多,比如介子、夸克、輕子等。粒子的世界分為三個陣營,被稱為「味道」或者「味」。味指一種基本粒子的種類,例如,電子代表一種味,還有兩種性質幾乎相同的粒子,介子和tau,它們有自己的味。長期以來,科學家一直懷疑這三種味應該是平等的,但一直沒有得到證實。

而令人驚喜的是,多年的對撞機實驗開始表明,或許並非一切都是平衡的。當然,這些實驗的結果仍然是試驗性的,還沒有重要到足以咋粒子界發現了被稱為標準模型的裂縫。然而,如果這一結果成立,那麼它將為理解從暗物質到宇宙起源的一切事物打開大門,於是科學家就不得不開始找關於粒子標準模型的漏洞了,或者說完善標準模型,變成一種更加完美的模型。

更好的理論模型

但遺憾的是,我們不知道這個理論是什麼樣的,也不知道它會做出什麼樣的預測。因此,我們不僅不知道生命、宇宙和這兩者之間的所有事物的完整答案,我們也不知道如何得到這些答案。為了找到「更好的理論」的蛛絲馬跡,研究人員正在尋找標準模型的任何缺陷或錯誤預測—,因為該理論的一條裂縫可能會為這個更加完美的理論提供線索。

於是科學家盯上了輕子,因為標準模型的眾多預測之一與輕子的性質有關,輕子是像電子或夸克那樣的微小、孤立的粒子。輕子被分為三類,它們被稱為代或味。不同味道的粒子除了質量不同外,其他性質都相同。例如,電子,介子和粒子都有相同的電荷和自旋,但是介子比電子重,甚至更重,它們有不同的味道。

根據標準模型,這三種電子的表現應該完全相同。基本的相互作用應該以相等的概率產生這些,但是大自然就是無法分辨出它們之間的區別,所以它們並不存在自然界的偏愛。

結果

不過,這些都是理論,因此應該進行測試。多年來,各種各樣的實驗,比如在歐洲核子研究中心(CERN)和巴巴實驗室(BaBar)的大型強子對撞機(Large Hadron Collider)中進行的實驗,在這些實驗中,基本粒子在大規模碰撞中被撞在一起。這些碰撞產生的粒子可能會提供線索,讓我們了解大自然在最深處是如何運作的。其中一些碰撞被設計用來觀察自然界是否喜歡輕子的一種味道。

特別是一種叫做底夸克的粒子,它很喜歡衰變為輕子。有時它會變成一個電子。有時μ介子。有時τ。但無論如何,這三種味道都有同等的機會從殘骸中浮現出來。目前物理學家們已經成功地收集了數以億計的這樣的底夸克衰變,並且從幾年前開始,數據中出現了一些奇怪的東西,在這些相互作用中,自然似乎比其他輕子更喜歡tau粒子。然而,它在統計學上幾乎沒有意義,所以很容易把這些結果當作統計上的僥倖而不予考慮,但也許我們只是沒有運行足夠的碰撞,所以才使一切都平衡。

不太標準模型

在標準模型中,不同口味的輕子味道與希格斯玻色子的相互作用越多,它的質量就越大。但除此之外,大自然不會給予它們明顯的差別,因此我們預測所有的味道在所有的相互作用中都應該是平等的。

但是,如果這些所謂的「味道區別」確實是我們宇宙的一個真實特徵,而不僅僅是數據收集中的某個缺陷,那麼我們需要一些方法來解釋為什麼大自然應該更偏向tau粒子,而不是電子或介子。一種可能性是,可能有不止一種希格斯玻色子在周圍飛舞——一種提供電子和介子的質量,另一種特別喜歡tau,讓它更頻繁地從相互作用中跳出來。

另一種可能性是,有額外的粒子與負離子交談,我們還沒有在實驗中看到。或者,也許自然界存在某種基本的對稱性,這種對稱性只能通過輕子反應的糾纏來揭示,換句話說,某種新的自然力只出現在這些模糊的、罕見的相互作用中。

除非我們有確鑿的證據,否則我們不能確定,一切都需要進一步的研究和探索。

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