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同时解决物理学五大难题的超越标准模型理论

中国学术期刊网【学术要闻】 编辑:天问 福州大学学报(自然科学版) 2017-11-05同时解决物理学五大难题的超越标准模型理论原文刊载在《福州大学学报(自然科学版)》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

是什么构成了世间万物?又是什么将物质紧紧地束缚在一起?为了回答这两个问题,物理学家建立了一个非常成功的理论:粒子物理学的标准模型。在过去的40几年,它通过了所有粒子物理实验的检验。但是它还有一些未回答的基本大问题。

因此,物理学家一直尝试构建超越标准模型的理论。不久前,四位物理学家(Guillermo Ballesteros 、Javier Redondo、Andreas Ringwald和Carlos Tamarit)提出了一个新理论,宣称可以同时解决粒子物理学中五个让人绞尽脑汁的问题,每一个问题都是诺贝尔级的大问题。

虽然听起来很疯狂,但他们的论文已经通过了同行审议,并于2月15日发表在《物理评论快报》——这是一个赫赫有名的期刊,在物理学史上发表了许多突破性的发现,包括去年引力波的发现。

这个新理论被称作SMASH(全称为“Standard Model Axion See-saw Higgs portal inflation),下面这张图概括了该理论:


上图中,SM代表了标准模型,包含了17种基本粒子,到2012年的时候已经全部被发现。在标准模型的基础上,四位物理学家添加了额外的六个粒子。有了这些粒子就可以解释:
什么是暗物质?
是什么导致了宇宙暴胀的发生?
为什么中微子这么轻?
为什么宇宙中的物质要比反物质多?
强核力的不寻常对称性。

正是因为这些问题,我们才知道粒子物理学的标准模型是不完备的。

SMASH利用了“跷跷板机制”解释了中微子的质量问题。它假定存在尚未被发现的、质量远大于电弱能标的重中微子(即“N、N、N”),这样目前已知的三种中微子的微小质量就可以得到很自然的解释。同时,这些中微子会更偏向衰变成物质,而不是反物质,因此也解释了为什么这个宇宙是由物质主宰的。(可进一步阅读:《为什么我们都是由物质构成?而不是反物质?》)

SMASH也预言了粒子“ρ”的存在,有点像希格斯玻色子——赋予基本粒子质量,粒子ρ赋予了中微子质量,并且和希格斯玻色子协作驱使了宇宙暴胀的发生。

为了解释神秘且不可见的暗物质,SMASH模型也包括了一种叫做轴子(axion,“A”)的粒子,这种粒子于1977年首次被提出。轴子的存在也可以解释为什么强核力不像标准模型预言的那样破坏某种特定对称(可进一步阅读:《强CP破坏:为什么CP对称偏爱强相互作用》)。

当然,SMASH模型是否能够得到物理学界的认同还不得而知。但它有一个优点是,它做出了可以检验的预言。例如,它预言了轴子的质量要比电子的质量轻约100亿倍。因此,科学家可以从实验中有针对性的寻找它的踪迹。

不过该理论并没有解释所谓的“等级问题”和“宇宙学常数问题”等。但不管怎样,SMASH都是一个很大胆的尝试。无论对错,相信它很快就可以从实验数据中得到检验。

参考文献:
Guillermo Ballesteros et al. Unifying Inflation with the Axion, Dark Matter, Baryogenesis, and the Seesaw Mechanism, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.071802
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