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寻找新物理的蛛丝马迹:从超对称表面到大和解表面

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寻找新物理的蛛丝马迹:从超对称表面到大和解表面

时间:2022-04-22 14:37 点击:59 次

  着手:旨趣

  物资是由不成分割的粒子或“原子”组成的,这一主见不错回想到古希腊和印度。关系词,直到1897年,J.J。 Thomson才发现了已知的第一个基本粒子——电子。20世纪早期累积的实考据据标明,原子自身包含了一个佩戴原子大部分质料的原子核,以及绕着原子核旋转的电子。

  到了上个世纪50年代和60年代,人们对主管原子核的兴味不断增多,同期进行的还有将高能粒子束碰撞在总共的粒子物理执行。从碰撞的碎屑中,物理学家臆测出了61种基本粒子的存在,组成了今天熟知的粒子物理学的表率模子。

  表率模子领路注解了构建物资的基本粒子是什么,也领路注解了这些基本粒子是若何通过“信使粒子”(即玻色子)相互作用的。尽管表率模子在权衡宇宙是若何运作的很多方面都阐扬得极其出色,但它却并不完备。距离大型强子对撞机(LHC)发现表率模子的临了一块拼图——希格斯玻色子——依然十年往常了,宇宙各地的物理学家正奋发地通过多样执行寻找突出表率模子的凭据,他们想要清醒寰宇中是否还存在着全新的基本粒子或基本力。

  近来,一些最新的执行服从也不断地给出了耐人咀嚼的服从。举例:

  不久前,CDF执行在测量了W玻色子的质料后发现,它比表面权衡的更重;

  2021年,费米执行室对μ子的磁矩的最新测量服从标明,它比表率模子缠绵的预期值略大;

  2021年,LHCb执行书记,电子比μ子更有可能在B介子的衰变中产生,这与表面预期的不符。

  一朝这些服从被进一步阐明,就预示着新物理的到来。除了这些执行外,其他的执行也在耐烦肠寻找新物理的蛛丝马迹。

  超对称表面  

  上个世纪六十年代,物理学家初次提议了超对称表面,并在七十年代获取了无为的发展。超对称是表率模子的膨胀,它假定咱们熟谙的每一个已知的粒子都有一个更重(但尚未被发现)的“超伙伴”。比如电子(electron)的超伙伴是“超电子”(selectron)。

  超对称曾被给以厚望,因为它不错处治表率模子无法恢复的问题,比如上文中咱们提到的μ子磁矩问题。根据量子力学,真空并不是透顶空的,而是充满了不断出现并快速销毁隐藏的虚粒子对。这些虚粒子对会影响μ子磁矩。淌若在这些虚粒子中出现了超对称预言的全新粒子,那么就不错领路注解为什么μ子的磁矩比表率模子权衡的要大。同期,超对称粒子也不错领路注解W玻色子的质料问题,以及它亦然自然的暗物资候选粒子。

  LHC的ATLAS执行接力于寻找超轻子(slepton)以及超荷子(chargino)和超中性子(neutralino)。在不久前发布的最新测量服从中,尽管ATLAS仍然莫得发现这些联想粒子的痕迹,但却对它们可能出现的鸿沟做出了适度,也排斥了一些不错用以领路注解μ子磁矩的模子。

  大和解表面  

  上个世纪七十年代,物理学家依然期骗量子物理学来领路注解已知四种基本力中的三种——电磁力、弱力和强力。很多物理学家笃信,在温度极高的早期寰宇中,这三种基本力会在稀奇高的能量(约10¹⁶GeV)下团结成一个“大和解”力。就像物理学家依然阐明,电磁力和弱力在高能下不错和解成电弱力相似。关系词,平直历练大和解表面超出了现时粒子加快器的身手鸿沟。但大和解表面却做出了一个惊人的预言,那即是质子不错衰形成更轻的粒子(比如正电子和π介子)。这就意味着寰宇中扫数的物资,都将在有限的改日衰变。

  大和解表面有很多不同的模子,但它们大部分都权衡质子的寿命要跳跃10³⁰年!这是一个惊人的时辰长度,尤其是咱们的寰宇年齿才约为1.38×10¹⁰年。自然,咱们无须销耗如斯悠长的岁月去恭候调查一个质子的衰变。粒子的寿命被界说为粒子数目减少到开动数目的1/2.72的时辰。因此,淌若咱们在执行中准备弘远数目的质子,那么就有可能测量出它的寿命。

  自1996年起,日本的超等神冈探伤器就一平直力于监测质子衰变开释出的辐照。它包含的质子数目高达7.5×10³³个。尽管到现在为止,执行一直莫得发现质子衰变,但却对证子的寿命建筑了下限:10³⁴年。改日,当顶级神冈探伤器干与使用时,将是宇宙上用于搜索质子衰变的最智谋的探伤器。

  弦表面  

  物理学家所追求的并莫得停留在和解三种基本力,而是找到一个大略和解扫数四种基本力(包括引力)的万有表面。现在,万有表面的最好候选仍然是弦表面。在往常的几十年时辰里,它阅历了发现、撤销和再行发现的漫长历史,况兼阅历了屡次迭代。

  弦表面的基本思惟是,已知的基本粒子内容上是由弦组成的。这些弦必须在10个维度(9个空间维度加1个时辰维度)中移动和振动。10个维度内容上是弦表面的一个权衡,淌若咱们试图在更高或更低的维度中构建方程,那么它们在数学上就会变得不一致。是以,既然咱们赫然生计在一个惟一三维空间的寰宇中,那么极端的维度必须以某种花样在稀奇小的措施上被卷起来(或者说”紧致化“),甚而于咱们无法防卫到它们。

  不成否定的是,平直历练弦表面是一个辛苦的前程,这也使它遭逢了很多的品评。即使是被提议的下一代超等粒子加快器,也莫得但愿达到和解四种基本力所需要的能量。而弦自身又是如斯的眇小,就算是现在最好的仪器也根蒂无法看到它们。但物理学家不错从某些联想粒子的彰着缺失中推断出弦表面所权衡的极端维度的存在。举例,物理学家提议了一种联想的引力子,镇静传递引力,就像电磁力是由光子传递的相似。有一种可能性是淌若在LHC的对撞中产生了引力子,它们会在被调查到之前就依然进入了极端维度。物理学家不错通过明察碰撞后剩余可探伤到的居品的动量和能量的不屈衡来缠绵出是否产生了引力子。

  往常,无论是希格斯粒子如故引力波,它们从被提议到被发现都阅历了稀奇漫长的经由。今天,固然咱们仍然没能找到超对称粒子或看到质子的衰变,但这并不虞味着这些表面是失败的,也许咱们仅仅需要更多的时辰和耐烦。

  #创作团队:

  撰文:原原

  遐想:雯雯

  #参考着手:

  https://home.cern/news/news/physics/atlas-strengthens-its-search-supersymmetry

  http://www.hyper-k.org/en/physics.html

  #图片着手:

  封面图:pixabay

  首图:pixabay

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