諾貝爾獎獲得者溫伯格最新論文:為什麼物質粒子會呈三代出現?

2021-01-15 量子認知

史蒂文·溫伯格（英語：Steven Weinberg），美國物理學家。1967年提出統一電磁作用和弱相互作用的模型，這一模型的重要結論之一是必須存在希格斯粒子，該模型現稱為電弱理論，1973年實驗驗證了這一理論，該文章是到2010年為止粒子物理中引用率最高的理論。基於對稱性自發破缺機制的電弱理論，溫伯格獲得1979年諾貝爾物理學獎。他在物理學中的許多方面皆有研究成果，包括量子場論、引力、超對稱、超弦和宇宙學理論等。

前不久，現年86歲的溫伯格發表了題為：《輕子和夸克質量模型》（Models of Lepton and Quark Masses）的最新論文，解決了為什麼物質粒子會呈三代出現的謎團。

長期以來令科學家們頗為費解的是，物質基本粒子為什麼會呈三代地出現，3種不同大小的粒子，但每一代都比前一代重，但在許多其他方面卻完全相同。

大自然用這三種基本成分烹製出了各種奇異而美麗的物質形式，從熾熱的星星到我們周圍的萬物。電子和兩種夸克，被稱為「上夸克」和「下夸克」，以各種方式混合以產生萬物存在的每個原子。

但令人困惑的是，這種物質粒子家族：上夸克、下夸克和電子，並不是唯一的。物理學家發現，它們構成了三個連續的「世代」粒子，每代粒子都比前一代重。第二代和第三代粒子不穩定迅速地轉變為較輕的粒子，但它們的行為相同。好像自然界的法則是由一世三代地組成了。

在1970年代，物理學家首次制定了粒子物理學的標準模型時，他們尋求某種深層的原理來解釋為何每種類型的物質粒子都存在三代。沒有人破解密碼，所以這個問題一直被擱置著。現在，標準模型的建築師之一，溫伯格解脫了這一難題。他在論文中指出，粒子質量的有趣模式將可引領解決這一難題往前推進的道路。

著名華裔美籍物理學家、凱維裡理論物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics）和加州大學教授、徐一鴻（英語：Anthony Zee）表示，「溫伯格的論文猶如是在黑暗中的閃電。」 「突然之間，在這個領域裡的物理學泰鬥重新解決了這些問題。」

加州大學爾灣分校物理與天文學系教授、研究副主席、著名華裔物理學家、陳慕春（Mu-Chun Chen）說：「我很高興看到他認為重新解決這個問題很重要。」她說，許多理論家都已經準備放棄，但現在「我們仍然應該保持樂觀」。

標準模型無法預測為什麼每個粒子都具有其質量。物理學家通過實驗測量這些值，並將結果手動插入方程式中。測量結果表明，微小電子的重量為0.5兆電子伏特（MeV），而第二代和第三代電子分別稱為μ子（μon）和τ子（tauon）的粒子，其標度分別為105 MeV和1,776 MeV。同樣，第一代上夸克和下夸克是相對輕質的，而第二代夸克的「魅力」和「奇怪」夸克是中等重量，第三代夸克的「頂」和「底」夸克很重，頂部重達173,210 MeV。

質量的世代變化是巨大的。粒子聚集成三代均勻間隔的世代：第三代粒子均重達數千MeV，第二代粒子重約數百MeV，第一代粒子重約只有幾個MeV。

在標準模型的方程式中，每個粒子的質量對應於其「感覺」到一個被稱為希格斯場的填充程度。頂夸克很重，因為它們在希格斯場中移動時會受到強烈的拖曳，就像一隻被粘在蜂蜜中的蒼蠅一樣，而細小的電子像蝴蝶一樣飛過它。在此框架中，每個粒子如何感覺到場是粒子的固有屬性。

在標準模型的早期繁華時期，解釋這些屬性的來源是需要下一步的邏輯。徐一鴻回憶起要求他的研究生計算電子質量的方法作為其博士生項目。40多年後，溫伯格最近的論文在今天遇到的是同一項難題。

其他粒子間接地經歷了希格斯場。這是可能的，因為量子力學的不確定性允許粒子在短暫的時間內實現。這些短暫的幻影在更永久的實體周圍形成了「虛擬」粒子云。例如，當虛擬頂夸克在（第二代）μ子周圍擁擠時，它們可以通過與新的理論粒子的相互作用將μ子暴露於希格斯場，從而使μ子具有一定的質量。但是因為是間接曝光，所以粒子比頂部保持輕得多。

如此量子博弈的第二輪使第一代電子以相似的因子再次變輕，這解釋了數百MeV和幾MeV的粗略世代間距。所有最輕的粒子中，中微子也出現了三代。但是其作用與其他基本的大粒子不同，因此不適合此類情況。

溫伯格的最新出版論文考慮了該量子博弈遊戲的多種工作方式。他賦予了在整個第三代物質粒子，即頂夸克、底夸克和τ子中感受希格斯場的能力。質量通過與奇異的虛擬粒子的相互作用從那裡流到第二代和第一代。

有物理學家尚不太相信，選擇第三代並處理暫時粒子云是正確的道路。在此領域的物理學專家陳慕春認為：「這似乎是臨時的，因為它是手工製作的。」她希望通過將標準模型嵌入字符串理論之類的更大框架中來解釋這三代產品。她研究的一種模型通過向宇宙中添加幾個類似於希格斯的新場來減少了基本質量值的數量，儘管與這些假想場相關的奇異粒子太重了，無法用歐洲的大型強子對撞機進行搜索。

能夠支持或區分物質粒子質量理論的唯一確鑿證據將是每個預測的各種奇異粒子的發現。大型強子對撞機還沒看到，但是物理學家並沒有完全失去希望有一天出現幻象的希望，探索稀有粒子轉變的實驗，例如費米實驗室的Mu2e實驗將於今年上線進行的μ子至電子衰減，將有最好的機會檢測幹擾粒子並搖動標準模型。物理學家們在拭目以待，溫伯格所發表的這一最新論文將是否具有實在的意義。

參考文章：「輕子和夸克質量模型」出版刊物：《物理評論D》DOI：10.1103/PhysRevD.101.035020量子認知 | 簡介科技新知識，敬請熱心來關注。

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