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宇宙間神秘莫測的五種粒子

希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)為標準模型畫上了句點,這多少令一些粒子物理學家因為沒了目標感到失望。然而,一些物理學家卻把希望放在了大型強子對撞機(LHC)和未來的大型物理實驗設備上,希望這些先進的設備能夠進一步的窺探潛藏在宇宙中的一些新粒子。從而跳出標準模型的框架,讓我們對宇宙有更深刻的了解。從W微子、引力子到變色龍粒子,下面是五個神秘的潛藏在宇宙深處的粒子。



超膠子、W微子和超光子
Gluinos, winos and photinos



標準模型粒子對應的超對稱粒子。


如果“超對稱性”理論是正確的,那么,可能有超過一打粒子等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn),因為該理論認為,迄今為止科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的每個粒子都擁有一個與其對應的超級“伙伴”粒子。


標準模型認為,自然界存在著兩類基本粒子:玻色子和費米子。玻色子是粒子間傳遞相互作用力的使者,包括膠子和引力子等,它們都具有整數(shù)的自旋;而費米子是組成物質的基本載體,包括夸克子、電子和“幽靈般”的中微子等,它們的自旋為半整數(shù)。


根據(jù)超對稱性理論,每種費米子都同一種玻色子配對,反之亦然。因此,膠子會有超膠子、W粒子會有超W粒子、光子會有超光子分別來與之配對;依此類推,希格斯粒子會有一個名為“超希格斯粒子”的粒子來與之配對。


理論總是很美好,然而,不幸的是,對超對稱性理論的擁躉來說,迄今為止,LHC還沒有發(fā)現(xiàn)任何上述神秘粒子的“蛛絲馬跡”。美國哥倫比亞大學的數(shù)學物理學家彼得·沃特就曾經(jīng)指出,這或許表明,這些粒子很可能只是傳說,或許根本就不存在,超對稱性理論可能存在錯誤。


舉個例子,在2012年的時候,物理學家在發(fā)現(xiàn)了一種極度罕見的粒子,叫B_s介子,這種粒子一般不存在于地球上。但是,當兩個以接近光速運動的質子對撞的時候,我們可以觀測到它們短暫的存在。標準模型能很好的預言對B_s介子的出現(xiàn)概率,這表明,所有的超粒子如果存在的話,它們會比原來的期望的更重。


超對稱性理論的另一個缺陷在于,大約存在著105個“自由參數(shù)”,這意味著物理學家們并沒有很好地限定新發(fā)現(xiàn)粒子的尺寸和能量范圍,所以,他們對于在何處以及如何找到這些粒子自然也是一頭霧水?,F(xiàn)在唯有寄往于這次剛剛啟動的LHC為我們帶來一些好消息。



超中微子
Neutralinos



在LHC內(nèi)的粒子對撞模擬,當兩束質子在對撞時,會產(chǎn)生新的奇異粒子,可能有望找到超中微子。圖片來源:CERN


超對稱性理論也預言,名為“超中微子”的不帶電的特殊粒子或許可以解釋占據(jù)宇宙大部分物質密度的暗物質。暗物質無法直接觀測得到,只能通過其對物質的引力作用來探測。美國印第安納大學的物理學家波林·蓋格諾表示,在超對稱性理論中,除了超膠子之外,其他攜帶力的粒子混合在一起可能會制造出超中微子。


超中微子可能在早期炙熱的宇宙中形成,而且,為我們留下了足夠多的線索來解釋暗物質的存在。


伽馬射線和中微子望遠鏡將在宇宙間充滿了暗物質的地方(諸如太陽或星系核心)搜尋這種神秘粒子的“芳蹤”。實際上,2013年,物理學家們做出了一個重大的發(fā)現(xiàn):國際空間站的一個粒子收集器或許已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了暗物質的證據(jù),但科學家們沒有公布細節(jié)。



引力子
Gravitons



圖片來源:NASA


愛因斯坦和物理學家們一直被一個問題所困擾:如何為自然界中的物質和力創(chuàng)造一個“大一統(tǒng)理論”,其既能揭示微觀世界中力的作用規(guī)律;也能闡釋宏觀世界中力的活動定律。不過,這種“統(tǒng)一夢”一直沒有照進現(xiàn)實。愛因斯坦的相對論很好地解釋了引力,卻難以解釋量子粒子的行為;而粒子物理學很好地揭示了粒子的行為,卻無法有效地對引力作出解釋。


因此,有些物理學家把期望寄托在了名為“引力子(gravitons)”的量子引力粒子。引力子很小,沒有質量,主要作用是釋放出引力波。從理論上而言,每個引力子會對宇宙中的物質施加拉力,但因為這種粒子與物質間的相互作用力非常微弱,所以,使用目前的技術不可能直接探測到這種隱藏粒子的蹤跡,不過,使用諸如美國加州理工學院和麻省理工學院聯(lián)合進行的激光干涉引力波觀測站(LIGO)這樣的工具能間接揭示引力子的存在。



非粒子
Unparticle


搜尋“非粒子”的實驗依賴于地幔內(nèi)部的電子(紅點),這種粒子攜帶了遠距離范圍內(nèi)兩個自旋粒子之間的相互作用(綠色波浪線),白色弧代表了地球的磁場線。圖片來源:Marc Airhart & Steve Jacobsen.

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