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这个粒子能解开物理学中五个大问题?

如果它真的存在,那么将能同时解开物理学中五个大问题。

是911吗?这里有紧急情况,宇宙中最为重要的粒子仍未找到!

德国物理学家弗洛里安·格尔茨明白这并不是警方所能侦破的案件,但他仍在不耐烦地等待着回应。不过,这里的“911”不是指美国的报警电话号码,而是位于大型强子对撞机北部的一座建筑的编号。

欧洲核子研究组织的大型强子对撞机是世界上最大的粒子加速器,它位于瑞士与法国边境地下100多米深的环形隧道中,隧道全长近27千米。2012年,研究人员借助它发现了希格斯玻色子。这可是物理学上的大事件。但格尔茨想要寻找的粒子可比希格斯玻色子更厉害:希格斯玻色子解决了基本粒子如何获得质量的问题,而格尔茨想要寻找的粒子将能一口气解决物理学中五个大问题——从微观粒子无法解释的现象到宇宙起源的奥秘,再到神秘的暗物质的真实身份。

美好得令人难以置信?但格尔茨并不是唯一一个想这么做的人。他一直在和来自世界各地的同行们合作和竞争,以描述这种粒子的性质,并预测它能做什么。如果他们的理论是正确的,那么911号建筑里进行的实验将有机会发现宇宙中最重要的粒子。

场与粒子

要想了解这种粒子,首先我们要了解什么是粒子。大多数时候,我们可以把粒子想象成微小的弹珠,在空旷的空间里撞来撞去,或者被束缚在固体内部。然而,如果我们想要理解它们的行为,这种观点必须抛弃。相反,我们最好把宇宙想象成一个充满电磁场、电子场、质子场等各种波动场的地方,而我们所熟悉的粒子,就是这些场在微小尺度上的一种扰动。例如,电磁场会产生光子,电子场会产生电子,质子场会产生质子,等等。

理论学家经常提出各种场来解决许多基本物理学问题。每一种场都会产生一种新的粒子,要想证明这种场的存在,就需要通过实验来找到所产生的新粒子。希格斯场和希格斯玻色子就是一个典型的例子。希格斯场最初是在1964年提出的,主要用来解释弱核力的作用范围为何较短,以及基本粒子如何获取质量等问题。不过,科学家发现希格斯玻色子花了将近50年的时间。

与此同时,更多的物理理论被提了出来,与之相伴随的是各种假想的粒子。一些理论带来的粒子比较多。例如,超对称理论认为,每一个已知的粒子都有一个与之相伴随的质量更大的伙伴粒子。如果成立,该理论可以解决许多无法解释的物理学现象。大型强子对撞机有能力检测到这些伙伴粒子,但到目前为止,研究人员还没有找到任何伙伴粒子的踪迹。

另一些理论就比较吝啬了。例如一种被称作“SMASH”的理论,要通过添加6个新粒子来解决5个物理学谜团。但对于格尔茨和他的同事来说,即使这样也太浪费了。他们提出只需要一种新的假想粒子就可以了,这个新的粒子如同一把万能钥匙,能同时解开物理学中五个大问题。

把两个粒子合二为一

这种粒子的提出,与两个粒子的物理学问题有关。其中一个问题是物理学家在1977年研究强相互作用时遇到的问题,它被称为“强CP问题”。

强相互作用是一种把夸克结合成质子或中子等粒子的力。然而,相关的物理理论却认为,在某些情况下,强相互作用会让粒子打破一种称为“CP对称”的对称性(请参见拓展阅读“对称的重要性”),但实验中从来就没观测到这种现象。为了解决这个问题,一些物理学家发现,在理论中加入一种新的场之后,强CP问题就神奇地解决了。跟其他场一样,这种新的场的微扰也会产生一种新的粒子,物理学家把这种粒子称为轴子。

与此同时,粒子物理学中又出现了另一个问题,这与夸克有关。夸克是一种基本粒子,它们结合在一起可组成质子和中子等粒子。目前,已发现的夸克有6种。夸克的种类被称为“味”,它们分别是上、下、粲、奇、底及顶,但它们的质量相差很大。例如,顶夸克的质量大约是上夸克质量的8万倍。这么大的质量差距从哪里来的呢?一些物理学家又提出了一种全新的场,不同味的夸克在这种场的作用下行为完全不同,最终导致了各种味的夸克质量有很大的差别。这种场产生的粒子被称为味子。

但在过去的几年里,两组物理学家各发现了一个天大的巧合:味子看起来很像轴子。于是,格尔茨等人就提议,这两种粒子应该是同一种粒子,可以把它们统称为“轴味子”或“味轴子”。

威力无比的轴味子

把轴子和味子结合起来,还有更多的好处。自上个世纪70年代末以来,物理学家一直坚信宇宙在大爆炸后不久经历了一段急速的膨胀时期,并称之为“暴胀”。暴胀可能是由一种被称为“暴胀子”的粒子引发的,一些物理学家早就推测,暴胀子可能是轴子或味子。

此外,当前最热门的暗物质粒子候选者是所谓的“大质量弱相互作用粒子”,它是一种假想的大质量粒子,只通过弱相互作用和引力产生作用。研究人员正不遗余力地寻找这种暗物质粒子,但目前一无所获。于是,一些物理学家认为,暗物质粒子也可能是轴子,并建议把注意力更多地放在轴子身上。

由此可以看出,如果轴子和味子能结合起来的话,那么轴味子还能解决暴胀问题和暗物质问题。更厉害的是,轴味子还有一个“超能力”——它能解释希格斯玻色子的质量问题。2012年,当大型强子对撞机发现希格斯玻色子时,它比许多物理学家预期的要轻得多。格尔茨等人认为,轴味子与希格斯玻色子某种相互作用,能使希格斯玻色子的质量大幅度降低。

这样,一个轴味子就能够同时解开物理学中的五个大问题:强CP问题、夸克质量问题、宇宙为何暴胀、暗物质的真实身份,以及希格斯玻色子质量问题。

这确实很了不起,但就目前而言,它仍然是一个猜想。改变这一状况的关键在于那座编号为“911”的建筑,它是欧洲核子研究组织在2007年开始进行的名为“NA62”的实验所在地。此实验的目的,是通过研究夸克-反夸克对的衰变来提高我们对夸克的理解。研究人员希望NA62能在这些衰变的产物中发现一些意想不到的东西。而且,鉴于轴味子能与夸克发生相互作用,所以在夸克-反夸克对的衰变过程中,很有可能会产生轴味子。

如果轴味子真的存在,那么我们何时能找到它?这完全取决于轴味子到底有多重,它越重越难找,因为让实验衰败出重粒子需要很高的能量。不过,格尔茨等人目前还无法用理论预测轴味子的质量究竟有多大。

不管怎样,把许多物理学问题变成一个问题,是一个很大胆的设想。粒子物理学能否迎来一个重大突破?我们只需等待911号建筑能否带来好消息。

拓展阅读:对称的重要性

知道新的粒子可能隐藏在哪里,是一件很棘手的事情。我们能使用的一种最强大的探测手段,就是对称性——即使某物的位置、方向或角度发生了改变,其外观和行为仍是相同的。例如,一个圆有对任意角度的旋转对称性,即圆对称性,而一个正方形不具有圆对称性——当你把它旋转90度的倍数时,它看起来是一样的,但以其他任何角度旋转时,它看起来就不一样了。

在粒子物理学中,还有更为复杂的对称性。例如,你可以把一些粒子替换成所对应的反粒子,如果它们的相互作用没有发生变化,那就是一种对称。例如,两个电子相斥的方式与两个正电子相斥的方式完全相同。这种对称性被称为“电荷共轭对称性”,简称“C对称”。

另一个重要的对称性是时间反演对称性,简称“T对称”。想象一下,你在电视上看斯诺克比赛的录像时,你看到一个台球撞向桌边然后弹走。你按下倒带键,你现在看到台球开始反过来向桌边移动。撞到桌边后反弹回原来的位置,如果它没有到达原来的位置,那么这就打破了时间反演对称性。

第三种基本对称是宇称对称性,简称“P对称”。这一次,在观看斯诺克比赛时,你可以通过一面镜子来观看,但如果镜子中台球撞到桌边的角度与屏幕中的不一样了,那么这就打破了宇称对称性。

我们可以把这些对称性结合起来,看看是否有什么有趣的东西出现。有时,一个系统可能会违背其中的某一个对称,但如果同时做多个对称变换的话,那么它有时仍可以维持原样。例如,一个粒子可能不遵守C对称或P对称,但如果对应的反粒子看起来就像是它在镜子中的影像的话,那么我们可以说它遵守“CP对称”。

这些对称性之所以重要,很大程度上是因为有时我们喜欢看到它们被打破,其背后往往涉及到以前未曾发现的物理定律、粒子或力。同样值得物理学家关注的情况是,一些对称性本该被打破但事实却没有,正文中提到的强CP问题就属于这种情况。


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