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新假说声称解决了物理学最大的五个问题 组图
Monday, November 7, 2016 13:03
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物理学家提出了一个新模型,他们说解决了现代物理学中未解答的5个最大的问题,一次全部解释了怪异的暗物质、微中子振荡、重子生成(baryogenesis)、宇宙膨胀、以及强作用电荷共轭-宇称问题(strong CP problem,强CP问题)。

新模型称为SMASH,提出我们只需要六个新粒子,来协调物理学标准模型中的所有这些差距。新模型背后的团队认为这将不会那么难测试。

该模型是由法国和德国物理学家组成的团队所发展出来的。他们认为不需要对标准模型进行任何重大调整,只需要一些新的添加。

这还在初期阶段,但这是一个非常酷的论点,因为其他模型是设计来解释量子力学的奥秘,例如超对称性(supersymmetry),需要添加数百个我们从来没有见过足迹的新粒子。

反过来说,SMASH只需要六个:三个微中子,一个费米子(fermion)和一个包括两个粒子的场。(在物理学中,场是物理或数学实体,在空间和时间上对每个点都有一个值。粒子是场的激发态。)

为了要让你知道这5个基本(重大)问题是什么,我们将浏览所有这5个问题,从暗物质开始。

2.暗物质Dark matter

现在有大量的证据,宇宙的26-27%是由不明物质所构成。虽然我们可以侦测到它的引力,这个未知的物质似乎不会发出我们可以观察的到的任何形式的光或辐射。

尽管多年来的搜寻,我们仍然不知道暗物质的真实组成,但我们知道,它的存在是宇宙稳定性的关键。

2.微中子震荡Neutrino oscillations

去年,诺贝尔物理学奖授予两位物理学家,他们证明微中子可以在’风风味(flavours)’之间震荡。

微中子振荡是一种量子力学现象,以一个特定的轻子风味(例如电子、牟子“muon”或涛子“tau”)产生的微中子,可以在稍后具有不同的风风味。

因为只有具备质量的粒子可以转换风味,或是振荡,微中子必定有质量。然而这对于标准模型而言是一个问题,因为没有人知道微中子质量实际上来自何处。

它可能来自希格斯玻色子(Higgs boson),但它也可能来自一个我们还没有发现的全新粒子。

3.重子生成Baryogenesis

物理学这个未解决的重要问题可以非常简单地总结:为什么可观察的宇宙,物质比反物质还多呢?

根据标准模型,大爆炸产生等量的物质和反物质,并且由于它们在接触时会彼此消灭,这应该导致一个没有粒子的宇宙,只有辐射。

很显然地,宇宙中有很多粒子的事实意味着这个场景出了问题,因为现在的宇宙怎么有这么多的物质,但几乎没有反物质呢?

4.宇宙膨胀Cosmic Inflation

据认为,在大爆炸后的一秒钟内,宇宙经历了一个称为膨胀(inflation)的加速扩张时期。

虽然大多数物理学家接受宇宙膨胀的现实,但没有人能够理解出造成宇宙膨胀速度比光速还快的确切机制,几乎是瞬间从次原子尺寸膨胀到高尔夫球大小。

一个假设的场(field)已被提出,作为膨胀的主要原因,称为暴胀(inflaton),但我们还没有实际侦测到它。

5.强CP问题The strong CP problem

被描述为”标准模型的严重缺陷“,强CP问题有助于解释为什么宇宙中的物质比反物质多,但带来的是跟随它自己未解的谜。

这是一个特别长的故事,但简而言之,强CP问题描述了CP如何违反,宇宙的基本对称性的破坏,不发生在量子色力学(quantum chromodynamics,QCD),QCD涉及夸克(quark)和胶子(gluon)之间的相互作用,但是没有人能够弄清楚为什么。

直到现在,或许,如果新模型证明是真的。

解决方法?

SMASH模型的建立,要回朔到2005年来自瑞士洛桑(Lausane)的瑞士联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology)的物理学家Mikhail Shaposhnikov的一项建议,称为微中子最小标准模型(neutrino minimal standard model,vMSM)。

当时,有人建议,由三个具有一定质量的右旋微中子(right-handed neutrino)的标准模型延伸,可以同时解释宇宙的暗物质和重子不对称性(baryon asymmetry),同时也与微中子振荡(neutrino oscillations)的实验一致。

现在,来自巴黎萨克雷大学(University of Paris-Saclay)的法国物理学家Guillermo Ballesteros领导的团队表示,我们能够将这三个右旋微中子加到标准模型中的三个现有微中子,外加一个称为彩色三重峰费米子(colour triplet fermion)的次原子粒子,以解决上面列出的前四个问题。

加入一个新的、不明的场,似乎照顾到第五个问题,如同Shannon Hall对新科学人杂志(New Scientist)解释:

“SMASH增加一个新的场,稍微不同地解释这些问题中的一些问题。这个场包括两个粒子:轴子(axion),暗物质的黑马候选粒子,以及暴胀子(inflaton),膨胀之后的粒子。

作为一个最终的炫耀,SMASH使用这个场来介绍第五个难题的解决方案:强CP问题。

这个团队表示他们的假设可以使用下一代粒子加速器来进行测试,意风味着它在可能性的范围之内,这使得它比过去提出的其他解决方案更加令人信服。

团队中的一位成员、来自德国电子同步加速器(German Electron Synchrotron)的Andreas Ringwald告诉Hall:“这个理论的最好的地方是,它可以在未来10年左右进行测试或检查。”

“你可以一直发明新的理论,但如果它们只能在100年被测试或是没有测试,那么这不是真正的科学,而是元科学(meta-science)。”

应该注意的是,SMASH模型尚未发表在同行评议的期刊上,所以它仍然需要经历粒子物理学世界的审查。但它现在上传到预印网站arXiv.org上,所以独立的物理学家有机会来做评议。

这可能不会以’五大问题’的最终解决方案作为结束,物理学从来就不是切得干干净净的,但它可能是一些很棒的事物的开始。

如同Ringwald所说:“这战争已打开。”

来源:ScienceAlert

来源:赞新闻 转载请注明作者、出处並保持完整。

本文标签:反物质, 宇宙, 宇宙膨胀, 暗物质, 科学

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