那些可以解釋宇宙問題的“模型”在哪裡?人類需要它!

在漫長的物理長河中,粒子物理學的支配理論解釋了關於亞原子世界的一切,除了它沒有解釋的部分。不幸的是,對於所謂的標準模型,這一基礎物理理論是在幾十年的時間裡一點一點地建立起來的。

儘管它是一個基礎模型,它仍然是一個非常強大的模型,能夠準確地預測各種各樣的現象交互和過程。

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但它確實有一些明顯的缺點,它沒有納入重力,它無法解釋各種粒子的質量,包括其中一些施加了力的粒子,它無法解釋中微子的某些行為,它沒有解釋暗物質存在的答案。

所以標準模型並不能更好地幫助我們理解宇宙!我們需要超越標準模型的存在來更好地理解我們的宇宙。

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不幸的是,許多解釋這一偉大的超標準理論的主要競爭者,近年來要麼被排除在外,要麼受到嚴重限制。但是到目前為止,仍然有最流行的一組理論突破了當前標準模型的界限,它們被歸為一類被稱為超對稱的理論模型。在這些模型中,自然界中粒子的兩個主要陣營(“玻色子”,如我們所熟悉的光子;而“費米子”——比如電子、夸克和中微子——實際上有一種奇怪的兄弟關係。每個玻色子在費米子世界裡都有一個伴子,同樣的,每個費米子也有一個自己的玻色子朋友。

這些“兄弟”或者說“夥伴”都不屬於已知粒子的正常家族。相反,它們通常要重得多、陌生得多,而且通常看起來更奇怪。

我們知道已知粒子和它們的超伴粒子之間的質量差異是一種稱為對稱性斷裂的現象的結果。這意味著在高能量下(就像粒子加速器的內部),粒子和它們的夥伴之間的數量關係是穩定的,也就是質量相等。然而,在低能量的情況下,這種對稱性就會被打破,導致搭檔粒子的質量暴漲。這個機制很重要,因為它也可能解釋為什麼,比如說,重力比其他力弱得多。這個數學問題有點複雜,但簡單來說就是:宇宙中有什麼東西斷裂了,導致普通粒子的質量大大低於它們的超伴粒子,並削弱它相對於其他力的力量。

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為了尋找超對稱性,一群物理學家加入進來,建造了名為大型強子對撞機(Large Hadron Collider)的原子加速器。經過多年的艱苦探索,對撞機得出了一個令人驚訝但令人失望的結論:幾乎所有的超對稱性模型都是錯誤的。

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簡單地說,我們找不到任何伴粒子。在世界上最強大的對撞機上,沒有任何超對稱的跡象。在這個對撞機上,粒子以接近光速的速度繞著一個圓形裝置快速運動,然後相互碰撞,有時會產生奇異的新粒子。這並不意味著超對稱性本身就是錯的,但所有最簡單的模型現在都被排除在外了。難道是時候拋棄超對稱性了嗎?也許吧。

通常,在粒子物理學領域,質量越大,就越不穩定,越快地衰變成更簡單,更輕的粒子。事情就是這樣。所以我們預計一些重粒子會迅速衰變成我們可能認識的其他物質簇,然後我們就會相應地建造探測器來檢測它的存在。但是如果有存在長壽粒子呢?也就是它們的存在時間較長,足夠科學家拿去研究。

其實早在不久前,科學家就曾利用大型強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)上的ATLAS(環形強子對撞機設備的縮寫,有點笨拙)開啟了對這種長壽粒子的研究。結果,並沒有發現它的存在。當然,這不是第一次尋找長壽粒子,但它是最全面的一次,幾乎使用了大型強子對撞機(Large Hadron Collider)實驗記錄的全部重量。但是仍然沒有任何長壽粒子的跡象。

或者,更令人沮喪的是,它們根本不存在。這就意味著這些物質——以及它們的超對稱夥伴——實際上只是狂熱的物理學家們憑空想象出來的幽靈,而我們真正需要的是一個全新的框架來解決現代物理學中一些突出的問題。


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