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科学家多管齐下“围剿”新物理

或许就在宇宙的某个角落 科学家多管齐下“围剿”新物理
 
尽管现有的标准模型盛行,但宇宙学家和粒子物理学家渴望发现一些他们无法解释的新东西。
 

标准宇宙论解释了宇宙微波背景下的波纹。
 
图片来源:ESA/PLANCK COLLABORATION
 
对宇宙学家来说,这是10年中最热切期待的结果,对另外一些人来说,这是一个令人失望的结果。
 
利用欧洲航天局的普朗克卫星,科学家呈现了宇宙微波背景辐射(CMB)的实验结果(CMB被认为是大爆炸的“余烬”)。自上世纪90年代起,CMB观测已经证实宇宙在一次大爆炸中突然诞生,还解释宇宙包含了多少物质和能量。宇宙学家期待普朗克能提供更深入的资料。 普朗克已经完成了它的使命。2009年发射后,它以极高的敏锐度和准确性观测了天空中CMB温度的细小变化。结果和理论预测有近乎完美的吻合。这也是问题所在:“没有证据显示,新物理学超出了我们先前的知识范畴。”英国剑桥大学宇宙学家兼普朗克团队一员George Efstathiou说。
 
陷入困境的不仅仅是物理学家。数十年来,粒子物理学家一直徒劳地努力着,试图找出他们的标准模型无法解释的现象——只有一个例外。去年,物理学家发现了希格斯玻色子,它是标准模型中最后一种未被发现的粒子。今年,物理学家证实,和标准模型的预测一致,希格斯玻色子具有一些基本属性。美国伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室(Fermilab)的Robert Plunkett说:“每个人都欣喜若狂。”
 
科学家表示,他们致力于找出自己理论中的漏洞。Efstathiou说:“我们知道这些理论是不完整的。因此必须反复推敲模型直到它们显示出缺陷。”理论家们已经构思出各种各样的超越标准模型的大胆理论。但是,实际上,对于旨在发现新现象的一系列针对最具潜力对象的实验,没有人保证一定能发掘出宝藏。
 
希格斯玻色子和其他粒子
 
对于粒子物理学家而言,问题很简单:能否在希格斯玻色子背后发现一些新东西。如果可以,最有可能的发生地,将是希格斯玻色子诞生的地方——瑞士日内瓦附近欧洲核子研究中心(CERN)27公里长的大型强子对撞机(LHC)。
 
自2010年LHC开始收集数据起,它已经完成了既定工作的1%(预计全部完成于2030年)。一些物理学家说,希格斯玻色子的发现意味着LHC有望在未来发现新粒子,以填补那99%的空白。
 
争议源自如何界定希格斯玻色子的作用。普通物质由少量的粒子构成:在原子核中,上夸克和下夸克分别形成质子和中子。标准模型描述了这些粒子如何通过3种力相互作用:电磁力产生光、强作用力结合夸克、弱作用力引起β衰变。(理论中不包括重力。)
 
但是有一个问题:粒子获得质量破坏了数学对称性(这是整个理论构建的基础)。因此,粒子必须通过和其他粒子的相互作用自己创造质量。
 
填补“已知的未知数”
 
探索新物理学的一个同样成就颇丰的地方就是整个宇宙。一些宇宙学家认为,根据自己的标准模型,他们已经陷入了一个僵局——但是和粒子物理标准模型不同,他们的标准模型还很不完整。
 
被称为ΛCDM的模型简要描述了宇宙的构成:5%的普通物质、27%的冷暗物质(CDM)、68%的暗能量。Λ代表暗能量最简单的表现形式。 ΛCDM模型和普朗克的最新结果相吻合,且同样具有高度的精密性。ΛCDM假定了宇宙成分的同属定义,诸如暗物质和暗能量(暗物质是一种不会和辐射相互作用的物质)。美国马里兰州巴尔的摩市空间望远镜科学研究所宇宙学家Adam Riess说:“它不是一个理论,它是数学。” 其他人希望破译暗能量,这也许是物理学领域最大的谜团。15年前,当物理学家利用恒星爆炸(被称作Ia型超新星)来追踪宇宙膨胀的历史时,他们发现了暗能量。和预期截然不同的是,他们发现宇宙膨胀正在加速,好像被某种形式的能使宇宙延展的能源推动。
 
关键问题是,暗能量是否是太空本身的一种属性—— 一个宇宙常数(爱因斯坦用Λ来表示),或者是宇宙中的某种物质。宇宙学家想知道,随着宇宙时间的推移,暗能量的密度是如何变化的。如果暗能量是太空的一部分,那么其密度应该保持恒定。如果它是太空中的某种物质,那么其密度可能随着宇宙的扩张而减小。
 
Riess认为,普朗克也许给了我们一些指示,有线索表明,暗能量已经发生变化,它不是一个宇宙常数。
 
一致之处:围捕暗物质
 
也许能共同促进粒子物理学和宇宙学发展的领域是它们的重叠之处:寻找暗物质。
 
暗物质由所谓的“大质量弱相互作用粒子”或WIMPs组成。WIMPs的设想诞生于上世纪80年代,当时理论学家指出,如果宇宙催生了这种粒子,那么足够数量的粒子将足以提供暗物质——假若它们的重量在质子重量的10~1000倍之间。
 
科学家希望通过不同的方式探测WIMPs。2008年,被称为PAMELA的意大利卫星实验发现了过量的高能正电子。
 
美国布朗大学的物理学家Richard Gaitskell说:“我持有一些偏见,但是我仍相信,直接寻找暗物质是我们发现标准模型漏洞的最有希望的方式之一。”
 
美国加州斯坦福大学的Blas Cabrera说:“也许五年后,我们会得出一些更加明晰的线索。”
 
出乎意料
 
粒子物理学家和宇宙学家无法保证任何可能性最终能够实现。如果无一凑效,一些人承认,他们会发现自己仅仅是在反复不断地验证他们自创的盛行的理论。美国加州劳伦斯—伯克利国家实验室的宇宙学家Saul Perlmutter说:“当我们遭遇一些未知的领域,这种情况很有可能发生。”
 
然而,Perlmutter说,他很乐观地相信,更多突破将会以意想不到的方式到来,正如15年前他和其他人首次探测到暗能量那样。他补充道:“你追我赶地去发现宇宙的新奥秘是我们玩过的最多产的‘游戏’,这不是因为你获得了你想要的结果,而是由于你发现了意料之外的东西。”
 
研究宇宙结构的哈佛大学宇宙学家Daniel Eisenstein同意Perlmutter的观点。他说:“我猜测问题在于,20年后我们是否还将问相同的问题?”(段歆涔)
 
《中国科学报》 (2013-09-10 第3版 国际)

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