学霸的科幻世界 - 第五百一十八章 标准模型

    庞学林微微一笑，说道：“惰性中微子！”
    沈渊愣了愣，若有所思道：“你的意思是，利用惰性中微子去制造四夸克、五夸克材料？”
    庞学林摇头道：“老师，你应该知道中微子的cp破坏吧？”
    沈渊点头。
    庞学林道：“一直以来，cp破坏相角δcp一直是中微子振荡研究的关键参数之一，随着惰性中微子的发现，我们已经可以精确测量出中微子振荡中的cp破坏相角。但要知道，我们在k介子和b介子的实验中同样发现了cp破坏。在粒子物理学中，k介子是带有奇异数这一量子数的四种介子的任一种。在夸克模型中，我们知道它们含有一个奇夸克，及一个上或下夸克的反夸克，而作为两种夸克结合而成的k介子，恰恰可以与三夸克重子结合，形成五夸克粒子。由于五夸克中存在正反夸克相互抵消的效应，因此，这种粒子的存在并不违反标准模型的规则！”
    沈渊睁大了眼睛，过了好一会儿才开口道：“你的意思是，利用k介子与重子结合，制造五夸克粒子，而中微子cp破坏相角的精确测量，将为我们测量k介子cp破坏相角提供依据。”
    庞学林笑着说道：“不止于此，惰性中微子的出现，意味着我们对暗物质的研究进入了全新的阶段。惰性中微子充斥于我们周围的空间中，对宇宙星系、物质结构的形成起到了非常重要的作用。但正常情况下，这种作用存在，容易导致一些自由粒子发生衰变。但是假如我们有办法屏蔽中微子，那么我们将有很大的可能在实验室内制造出五夸克粒子，进而再此基础上合成出全新强相互作用材料！”
    沈渊皱眉道：“阿林，按照你所说的，这个应该是超越标准模型的新物理理论了吧？”
    庞学林笑着点了点头：“确切地说，这种新理论，是在标准模型理论地基上建设起来的新物理大厦。”
    沈渊安静地看着庞学林，自己这位弟子，野心比自己想象得要大得多。
    他很清楚，想要在标准模型基础上提出新的物理学框架，难度到底有多大。
    说到标准模型，就得从四大基本作用力说起。
    自然界有四大基本作用力，分别是：强相互作用力、弱相互作用力、电磁力和万有引力。
    主要区别简单地说有两点，一个是作用的对象不同，一个是传递的方式不同。
    引力作用于有质量的粒子，注意这个质量不是静质量，而是动质量，就是e=mc^2中的m，和能量等价。也就是说引力可以作用到一切有能量的物质，我们宇宙中一切物质都是有能量的，所以说引力作用到一切物质。
    电磁力作用到一切有电荷的粒子，包括电子，夸克，以及它们组成的复合粒子，还有传递弱力的w粒子。
    暗物质就是因为没有电荷，不参与电磁力，所以不发光。
    强力作用到一切有色荷的粒子，包括夸克和胶子。夸克通过强力组成质子和中子，剩余的强力使质子和中子组成原子核。胶子虽然是强力的传递者，但自身也可以通过强力凝聚一起组成胶子球。
    弱力作用到一切有弱同位旋的粒子，导致粒子衰变。
    有趣的是弱力是唯一一个宇称不守恒的，只有左旋的电子（右旋的正电子），左旋的中微子（右旋的反中微子，如果中微子不是马约拉纳粒子），左旋的夸克之（右旋的反夸克）之间会产生弱力。
    这是四种基本作用力作用对象不同的区别，还有一个区别就是传递方式不同。
    引力通过引力子传递，尽管量子引力理论一直没有实验证实，但按照该理论，引力子和光子一样没有静质量，所以可以作用到无限远，按照平方反比定律衰减。
    强相互作用力是作用于强子之间的力，是所知四种基本作用力最强的，其作用范围在10^15m范围内。强相互作用克服了电磁力产生的强大排斥力，把质子和中子紧紧粘合为原子核。
    弱力通过w和z玻色子传播，在质子尺度上作用强度是电磁力的万亿分之一。弱力符合su(2)对称性。w和z玻色子都是自旋为1的矢量场。
    弱力与电磁力在更高的能量上是统一的，合称“电弱相互作用”。在较低能量上，因为higgs机制，w和z玻色子获得了静质量，弱力和电磁力分开。
    粒子物理标准模型的提出，就是为了从本质上去诠释这四大基本作用力的。
    在标准模型中，规范粒子有13种，分别是传递强相互作用的媒介——胶子8种，传递弱相互作用的媒介——中间玻色子，分为w+、w、z0三种，传递电磁作用的媒介——光子一种，以及为了实现电弱相互作用在低于250gev的能量范围内分解为电磁相互作用和弱相互作用的特殊粒子——希格斯粒子。
    夸克三种，按照不同的味，可以分为上夸克，下夸克；粲夸克，奇异夸克；底夸克，顶夸克，按照不同的色，可以分为红、绿、蓝三色，夸克有六味，每味三色，再加上各自对应的反粒子，总共36种不同状态的夸克。
    再加上轻子，电子e，μ子，t子，以及各自的中微子和它们的反粒子，共十二种。
    这就是标准粒子模型中所展现的61种基本粒子。
    迄今为止，几乎所有对以上三种力的实验的结果都合乎这套理论的预测。在标准模型所预言的61种粒子种，w玻色子、z玻色子、胶子、顶夸克及魅夸克未被发现前，标准模型已经预测到它们的存在，而且对它们性质的估计非常精确。
    然而，尽管标准模型具有强大的预测能力，但它未能回答五个关键问题。
    第一个问题，为什么中微子有质量？
    标准模型中的三个粒子是不同类型的中微子。标准模型预测，就像光子一样，中微子应该没有质量。
    然而，科学家们已经发现，这三个中微子在运动时是振荡的，或者是相互转化的。这一壮举之所以成为可能，唯一的原因就是中微子具有静质量。
    不过这个问题在惰性中微子发现以后，已经可以得到解答。
    第二个问题便是，什么是暗物质？
    天文学家们在观测星系自转时发现，星系的旋转速度比他们理论上的速度快得多，但按照可见物质的引力，这些星系旋转得如此之快，本应该把自己撕裂的。
    那么唯一的解释，就是存在一些我们看不见的东西，给了这些星系额外的质量，从而产生了引力。
    这便是暗物质，暗物质被认为占宇宙物质的27%，但它不包括在标准模型中。
    庞学林所提出的最新的惰性中微子理论，将会成为暗物质的有力候选者！
    第三个问题，那就是为什么宇宙中有这么多物质？
    当一个物质粒子形成时——例如，在大型强子对撞机的粒子碰撞中，或者在另一个粒子衰变中——它的反物质对应物通常会伴随而来。当等量的物质和反物质粒子相遇时，它们会相互湮灭。
    科学家们认为，当宇宙在大爆炸中形成时，物质和反物质应该是等量产生的。然而，某种机制阻止了物质和反物质以它们通常的方式完全毁灭，我们周围的宇宙被物质所主宰。
    标准模型无法解释这种不平衡。许多不同的实验正在研究物质和反物质，以寻找改变天平的线索。
    第四个问题，为什么宇宙膨胀在加速？
    在科学家们能够测量宇宙的膨胀之前，他们猜测宇宙在大爆炸之后迅速开始膨胀，然后随着时间的推移，开始变慢。然而，令人震惊的是，实际观测表明，宇宙的膨胀不仅没有减速，反而还在加速。
    天文学家最新测量表明，宇宙中的星系正在以每秒45英里的速度远离我们。相对于我们的位置，每增加一个百万分之一秒，也就是320万光年的距离，速度就会增加一倍。
    这一速率被认为来自于一种无法解释的时空特性——暗能量，它正在把宇宙推开。它被认为占宇宙能量的68%。
    暗能量同样游离于标准模型之外。
    最后一个问题，是否存在与重力有关的粒子?
    标准模型不是用来解释重力的。这第四种也是最弱的自然力似乎对标准模型解释的亚原子相互作用没有任何影响。
    但理论物理学家认为，亚原子粒子引力子可能以光子携带电磁力的方式传输引力。
    假如庞学林能够在标准模型的基础上提出新的物理学框架，非但有望解决这五大难题，其在物理学上的历史意义，也将丝毫不亚于牛顿、爱因斯坦这两位神级人物！