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物理学有哪些未解决的问题?未来LHC还能发现新粒子吗?

“现在物理学上应该再没有什么新的发现了,剩下的就是越来越精确的测量。”——开尔文勋爵

“现在物理学上应该再没有什么新的发现了,剩下的就是越来越精确的测量。”——开尔文勋爵

19世纪末,人类对物质结构的基本认识经历了一场非凡的革命。以前我们认为物质是由元素周期表中100多种元素组成的,但是人们很快意识到,这些被认为是大自然中不可分割的部分(原子),本身是由更小的基本粒子组成的。

在单个原子中,首先发现了带负电荷的电子。不久之后,人们发现了带正电的原子核。紧接着又发现了质子和中子这两个称为重子的复合粒子,它们本身是由更基本的粒子(夸克和胶子)组成。

时至今日,我们发现我们所知道的所有物质都是由一堆真正不可分割的粒子组成的:

六个夸克和六个反夸克,各有三种颜色,

三个带电的轻子和三个中性的轻子(中微子),以及它们相应的反粒子,

8个胶子,传递强核力,

传递电磁力的光子,

w和z玻色子,传递弱核力,

希格斯玻色子(Higgs boson)是一种单独的大质量粒子,为所有基本粒子提供静止质量。

上图为目前已知的基本粒子和相互作用的标准模型,除了一些特殊的情况之外,它基本上描述了宇宙中已知的一切。这个特殊的情况包括引力,暗物质和暗能量的存在和性质,以及宇宙中物质反物质不对称的起源,还有其他更深层次的对称性问题。

除了以上这些未知以外,目前所掌握的标准模型可以说非常完美,也就是说,在我们做过的每一个实验中,在我们观察到的每一个结果中,这些粒子和力的预测,以及它们之间的相互作用,反应横截面,振幅和衰减率完全一致。

你看,在基础物理学中确实还存在一些无法解释的现象,物理学家们目前只能寄希望于大型强子对撞机来获得一些启发并试图解决这些问题,包括:

暗物质是由什么构成的,也就是说暗物质是什么粒子?目前我们的理论预测暗物质是可能是由一些只受引力作用的大质量冷粒子构成的。但并没有发现这些粒子。

为什么我们在弱相互作用中看到粒子的cp违反现象,而在强相互作用中看不到?这就是杨振宁发现的宇称不守恒现象,目前我们只发现了3类中性介子在衰变的过程中违反了C对称和CP对称。

物质-反物质不对称的本质是什么?是什么违反了重子数守恒?

为什么这些基本粒子的质量(在1 MeV和180 GeV之间)比普朗克质量要小得多?普朗克质量为10^19 GeV!

如果我们只有目前的标准模型,那么这些问题我们都无法找到答案。

但是面对这些问题我们并不是完全没有头绪,目前的标准模型对这些问题有很多的理论延伸和预测,这就为解决问题提供了一些希望。在我们设计的所有物理理论模型中,这些问题的解决方案都有两个共同点:

理论表明,当我们创造出标准模型中大量不稳定的粒子时,我们将会发现这些粒子会以不同的方式发生衰变,并于标准模型对单独一个粒子的预测不同。

这些理论都预测,只要在足够高的能量下,我们将会创造出在标准模型中不存在的、新的基本粒子。

在标准模型之外的物理包括超对称、额外维度、新粒子等等。这些都是目前理论的预测,但是这些超越标准模型的新物理预测需要我们通过实验的角度去发现和探测。往往理论总是先于实验,但目前的实验对理论的验证和检测十分困难。

在大型强子对撞机中,这意味着标准模型预测衰变率的偏差需要在相关实验的范围内。如果标准模型预测,比方说,一个粒子应该衰变为:分支比为1.1 × 10^-6的τ轻子和分支比为1.8 × 10^-5的μ轻子,这意味着我们必须创造出至少数千万个这样的粒子,并精确地观察它的衰变来进行测量。

如果我们“只”创造了1000万个这样的粒子,并且观察到其中180个衰变为μ子,14个衰变为τ子,我们并不能断定已经发现了标准模型之外的新物理;因为我们没有足够的统计数据。

在大型强子对撞机发现最终的基本粒子:希格斯玻色子和顶夸克的时候,我们对大量的碰撞事件进行了详细的测量,并掌握了足够的统计数据才认为这些粒子真的存在,所以发现新粒子是一件十分困难的事。

如果我们可以建造一个能量更高的粒子“工厂”,如果在更高能量下创造出更多的新粒子,我们就可以以更高的精度去测量这些粒子。这就是为什么我们需要一个更加强大的对撞机:高能正负电子对撞机ILC(国际直线对撞机)。

但是我们在投入更大的资金去建造能量更高的对撞机之前,首先需要LHC发现这些非标准模型衰变或者新粒子存在的有力证据。

但是就目前来说,我们所拥有的超越标准模型的物质证据十分的薄弱,大型强子对撞机并没有发现超越标准模型的新粒子的任何证据。

目前大型强子对撞机只发现了一个希格斯粒子,这说明要么超对称粒子不存在,要么就是新粒子处在更高的能量之下。

如果在能量约为2-3tev以下没有发现新的粒子,如果有新粒子存在,大型强子对撞机应该检测到它们,那么在对撞机能量达到100000000 TeV或更高之前,可能不会有新的发现。

即使我们在地球的赤道附近建造一个粒子加速器,达到我们人们目前技术所能达到的最大能量,也无法达到100000000 TeV这样的能量。

可以毫不夸张地预测,在接下来的几年里,我们经常会看到这样的报道标题:“我们已经发现了标准模型之外的粒子物理学的第一个迹象了吗?”

如果答案是“不确定”的,那么标准模型可能就是大型强子对撞机一生所能触及到的所有粒子,它可能在未来已经无法在做出任何贡献了。

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