粒子物理新發(fā)現(xiàn)頻出標(biāo)準(zhǔn)模型能否“守擂”成功 宇宙物質(zhì)構(gòu)成的“磚塊”

3月23日，歐洲核子研究中心(CERN)LHCb實(shí)驗(yàn)的英國物理學(xué)家宣布，由LHCb(大型強(qiáng)子對撞機(jī))合作進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，可能發(fā)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)模型矛盾的現(xiàn)象。但目前這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度還不足以宣稱“可靠的發(fā)現(xiàn)”。

無獨(dú)有偶，4月7日，美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室召開網(wǎng)絡(luò)視頻發(fā)布會，公布了繆子g-2實(shí)驗(yàn)組對于繆子反常磁矩的首個(gè)測量結(jié)果：現(xiàn)有結(jié)果與粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言之間存在4.2倍標(biāo)準(zhǔn)差的偏離。一石激起千層浪，這個(gè)結(jié)果不僅吸引了全球粒子物理學(xué)家的關(guān)注，也引來了媒體的目光。兩周時(shí)間內(nèi)，超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理再次成為熱點(diǎn)話題。那么，這個(gè)所謂的“標(biāo)準(zhǔn)模型”到底是什么呢?

宇宙物質(zhì)構(gòu)成的“磚塊”

“簡單來說，標(biāo)準(zhǔn)模型是描述微觀世界物質(zhì)組成與相互作用的理論框架。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系博士生導(dǎo)師、特任教授吳雨生告訴科技日報(bào)記者，標(biāo)準(zhǔn)模型理論框架是基于量子場論的，主要理論觀點(diǎn)源自時(shí)間—空間的基本對稱性，并包含基本物質(zhì)粒子、傳播相互作用的傳播子以及給基本粒子帶來質(zhì)量的粒子。

物質(zhì)由原子組成，原子則由原子核及繞核運(yùn)動的電子組成。原子核內(nèi)包含質(zhì)子和中子，這些原子核內(nèi)質(zhì)子和中子不同的數(shù)目決定了不同原子不同的物理性質(zhì)。

但質(zhì)子、中子還能不能再分?電子還能不能再分?要解決這些問題，科學(xué)家采取的辦法就是：撞它!撞它!1968年，斯坦福直線加速器中心的實(shí)驗(yàn)者們利用強(qiáng)大的技術(shù)力量探索了物質(zhì)的微觀層次，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子分別由三個(gè)夸克組成。

通過用更快更強(qiáng)的對撞機(jī)去撞擊物質(zhì)碎片，物理學(xué)家不斷得出新的粒子。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的組成物質(zhì)的基本粒子有6種夸克：上夸克、下夸克、粲夸克、奇異夸克、頂夸克、底夸克;6種輕子：電子、電子中微子、μ子、μ中微子、τ子、τ中微子。

這6種夸克和6種輕子是物質(zhì)組成的基礎(chǔ)單元，目前它們不能再分割，也不能相容和疊加，而只能像樂高積木一樣堆積成各種各樣的物質(zhì)。這6種夸克和6種輕子都是基本費(fèi)米子。

有了費(fèi)米子，就可以組成物質(zhì)了嗎?“還是不可以。就像建房子一樣，有了磚塊、瓦塊還是不能堆成房子，還得有水泥等各種粘合劑才能把房間堆得牢固結(jié)實(shí)。費(fèi)米子之間得有一種相互作用力，讓它們結(jié)合在一起。”吳雨生告訴記者，物理學(xué)家們通過無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，宇宙間萬物之間的相互作用是四種基本作用力：引力、電磁力、強(qiáng)作用力和弱作用力。“標(biāo)準(zhǔn)模型描述的相互作用包括：電磁相互作用，如最常見的與電和磁相關(guān)的日常生活現(xiàn)象;弱相互作用，如核物理中的許多衰變現(xiàn)象;強(qiáng)相互作用，例如夸克組合成質(zhì)子、中子等。”吳雨生說。

“標(biāo)準(zhǔn)模型是對微觀世界的描述，這些極小尺度上的粒子的存在規(guī)律和相互作用現(xiàn)象，一步一步累加連接，最終構(gòu)成了宏觀物質(zhì)世界乃至整個(gè)宇宙。”吳雨生說。

“科學(xué)家希望標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)完備自洽的理論，可以描述所有的物理現(xiàn)象，是一個(gè)‘一切事物現(xiàn)象之源頭理論’。”吳雨生說，標(biāo)準(zhǔn)模型理論從上世紀(jì)60年代誕生至今，理論家與實(shí)驗(yàn)家互相合作，不斷完善理論模型，并不斷通過實(shí)驗(yàn)全方位驗(yàn)證理論預(yù)言，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象來推進(jìn)理論的發(fā)展。

基本粒子的“元素周期表”

2012年7月4日，歐洲核子研究中心的主報(bào)告廳里舉行了一場特別的報(bào)告會。這場報(bào)告會上，在歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC上運(yùn)行的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的研究者，分別宣布了最新研究結(jié)果：他們同時(shí)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。

半個(gè)多世紀(jì)以前預(yù)言了希格斯玻色子的彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒也被邀請到了這場報(bào)告會的現(xiàn)場。在公布最終結(jié)果的時(shí)候，科學(xué)家激動地向上揮拳，聽眾們也不斷歡呼。

為什么這個(gè)發(fā)現(xiàn)如此令人激動?因?yàn)橄８袼共Ｉ颖徽J(rèn)為是粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型框架下，最基本粒子中的最后一種，所以也被人稱作“標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖”。

希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，起源于一個(gè)問題，即玻色子中有些粒子有質(zhì)量，有些沒有，如w、z玻色子有質(zhì)量，而光子卻沒有質(zhì)量。這些有質(zhì)量粒子的質(zhì)量又是如何來的?于是物理學(xué)家們假設(shè)，冥冥之中應(yīng)該有一個(gè)“場”，是這個(gè)場賦予了這些粒子質(zhì)量。

隨著被發(fā)現(xiàn)的粒子越來越多，粒子之間的關(guān)系也愈發(fā)復(fù)雜。正如門捷列夫建立元素周期表，人們隱約覺得，如此繁多的粒子背后，也應(yīng)該有一個(gè)相似的“粒子周期表”。在這個(gè)思想指導(dǎo)下，標(biāo)準(zhǔn)模型就像是粒子物理學(xué)家的圣經(jīng)，指導(dǎo)著人們對微觀世界的研究。而此次歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC發(fā)現(xiàn)的被戲稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子，完全是標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的粒子。這一戰(zhàn)，標(biāo)準(zhǔn)模型大獲全勝。

“如果我們把費(fèi)米子和規(guī)范玻色子比喻成一個(gè)個(gè)棋子，那希格斯玻色子就是它們的棋盤。沒有棋盤，棋怎么下呀?”吳雨生告訴記者，自2012年歐洲核子中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子后，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的最后一個(gè)未觀測到的基本粒子也已在實(shí)驗(yàn)中找到，標(biāo)志著其完備理論模型的確立。

“完美”中的“不完美”

吳雨生告訴記者，標(biāo)準(zhǔn)模型從基本粒子種類、相互作用數(shù)學(xué)描述上來看是十分簡潔的。但是，簡潔數(shù)學(xué)形式演算預(yù)言實(shí)驗(yàn)反應(yīng)結(jié)果，則往往極為復(fù)雜。例如在理論上，計(jì)算最簡單的一些物理現(xiàn)象發(fā)生的幾率，往往需要計(jì)算成千上萬個(gè)公式，利用高性能計(jì)算機(jī)也可能得積年累月。“而從實(shí)驗(yàn)上來研究這些極微觀物質(zhì)世界中的現(xiàn)象，往往需要舉全國乃至全球科技之力，歷經(jīng)數(shù)載甚至數(shù)十載，集中許多科學(xué)家的智慧與精力才能實(shí)現(xiàn)。”吳雨生說。

那么，堪稱“完美”的標(biāo)準(zhǔn)模型，真正完美了嗎?答案當(dāng)然是否定的。隨著時(shí)間推移，人們慢慢地發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)模型似乎也不是那么“標(biāo)準(zhǔn)”。如標(biāo)準(zhǔn)模型“規(guī)定”，基本粒子之一的中微子不能有質(zhì)量，要以光速在宇宙中穿梭，然而實(shí)驗(yàn)測量發(fā)現(xiàn)，中微子耍了一點(diǎn)小滑頭，它以非常接近光速的速度運(yùn)動，而且有非常小的質(zhì)量。這種違背標(biāo)準(zhǔn)模型的結(jié)果讓人們很不爽。

“標(biāo)準(zhǔn)模型雖然已經(jīng)極為成功，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)稱不上能‘描述一切的理論’，還有一個(gè)個(gè)神秘的物理現(xiàn)象無法解釋。例如，你會發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)模型當(dāng)中并不包含引力。”吳雨生告訴記者，目前標(biāo)準(zhǔn)模型尚不能解釋的問題大致有以下幾個(gè)方面：對于宇宙學(xué)觀測到的暗物質(zhì)是否有粒子屬性，標(biāo)準(zhǔn)模型并未給出相關(guān)預(yù)言;對于宇宙中正物質(zhì)明顯多于反物質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)模型無法解釋;標(biāo)準(zhǔn)模型并不包含引力作用，目前是用廣義相對論來描述引力相互作用的;基本粒子不同“代”之間為何質(zhì)量差別如此之大?為何中微子的質(zhì)量幾近為零……

“正是這些未解之謎激勵著物理學(xué)家繼續(xù)在理論與實(shí)驗(yàn)上去探索超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新理論、新現(xiàn)象，進(jìn)而促使物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)新的物理學(xué)。”吳雨生說。(記者 吳長鋒)