這新的假說聲稱解決了物理學最大的五個問題!

    加入我們永遠收到最新的消息

11020matter_inner

歡迎來到’新物理學’

物理學家提出了一個新模型,他們說解決了現代物理學中未解答的5個最大的問題,一次全部解釋了怪異的暗物質、微中子振盪、重子生成(baryogenesis)、宇宙膨脹、以及強作用電荷共軛-宇稱問題(strong CP problem,強CP問題)。

新模型稱為SMASH,提出我們只需要六個新粒子,來協調物理學標準模型中的所有這些差距。新模型背後的團隊認為這將不會那麼難測試。

landscape-1477683651-gettyimages-172953626

該模型是由法國和德國物理學家組成的團隊所發展出來的。他們認為不需要對標準模型進行任何重大調整,只需要一些新的添加。

這還在初期階段,但這是一個非常酷的論點,因為其他模型是設計來解釋量子力學的奧秘,例如超對稱性(supersymmetry),需要添加數百個我們從來沒有見過足跡的新粒子。

反過來說,SMASH只需要六個:三個微中子,一個費米子(fermion)和一個包括兩個粒子的場。(在物理學中,場是物理或數學實體,在空間和時間上對每個點都有一個值。粒子是場的激發態。)

為了要讓你知道這5個基本(重大)問題是什麼,我們將瀏覽所有這5個問題,從暗物質開始。

2. 暗物質 Dark matter

1-12-2015-12-42-42-pm-universe

現在有大量的證據,宇宙的26-27%是由不明物質所構成。雖然我們可以偵測到它的引力,這個未知的物質似乎不會發出我們可以觀察的到的任何形式的光或輻射。

儘管多年來的搜尋,我們仍然不知道暗物質的真實組成,但我們知道,它的存在是宇宙穩定性的關鍵。

2. 微中子震盪 Neutrino oscillations

17-640x387

去年,諾貝爾物理學獎授予兩位物理學家,他們證明微中子可以在’風風味(flavours)’之間震盪。

微中子振盪是一種量子力學現象,以一個特定的輕子風味(例如電子、牟子 “muon”或濤子 “tau”)產生的微中子,可以在稍後具有不同的風風味。

760b75f9cffa58413545f27a05306b8c

因為只有具備質量的粒子可以轉換風味,或是振盪,微中子必定有質量。然而這對於標準模型而言是一個問題,因為沒有人知道微中子質量實際上來自何處

它可能來自希格斯玻色子(Higgs boson),但它也可能來自一個我們還沒有發現的全新粒子。

3. 重子生成 Baryogenesis

maxresdefault

物理學這個未解決的重要問題可以非常簡單地總結:為什麼可觀察的宇宙,物質比反物質還多呢?

根據標準模型,大爆炸產生等量的物質和反物質,並且由於它們在接觸時會彼此消滅,這應該導致一個沒有粒子的宇宙,只有輻射

很顯然地,宇宙中有很多粒子的事實意味著這個場景出了問題,因為現在的宇宙怎麼有這麼多的物質,但幾乎沒有反物質呢?

4. 宇宙膨脹 Cosmic Inflation

cosmic_ev_labeledd

據認為,在大爆炸後的一秒鐘內,宇宙經歷了一個稱為膨脹(inflation)的加速擴張時期。

雖然大多數物理學家接受宇宙膨脹的現實,但沒有人能夠理解出造成宇宙膨脹速度比光速還快的確切機制,幾乎是瞬間從次原子尺寸膨脹到高爾夫球大小。

一個假設的場(field)已被提出,作為膨脹的主要原因,稱為暴脹(inflaton),但我們還沒有實際偵測到它。

5. 強CP問題 The strong CP problem

cpdiagram

被描述為"標準模型的嚴重缺陷“,強CP問題有助於解釋為什麼宇宙中的物質比反物質多,但帶來的是跟隨它自己未解的謎。

這是一個特別長的故事,但簡而言之,強CP問題描述了CP如何違反,宇宙的基本對稱性的破壞,不發生在量子色力學(quantum chromodynamics,QCD),QCD涉及夸克(quark)和膠子(gluon)之間的相互作用,但是沒有人能夠弄清楚為什麼。

直到現在,或許,如果新模型證明是真的。

解決方法?

SMASH模型的建立,要回朔到2005年來自瑞士洛桑(Lausane)的瑞士聯邦理工學院(Swiss Federal Institute of Technology)的物理學家Mikhail Shaposhnikov的一項建議,稱為微中子最小標準模型(neutrino minimal standard model,vMSM)。

當時,有人建議,由三個具有一定質量的右旋微中子(right-handed neutrino)的標準模型延伸,可以同時解釋宇宙的暗物質和重子不對稱性(baryon asymmetry),同時也與微中子振盪(neutrino oscillations)的實驗一致。

現在,來自巴黎薩克雷大學(University of Paris-Saclay)的法國物理學家Guillermo Ballesteros領導的團隊表示,我們能夠將這三個右旋微中子加到標準模型中的三個現有微中子,外加一個稱為彩色三重峰費米子(colour triplet fermion)的次原子粒子,以解決上面列出的前四個問題。

atom-600x315

加入一個新的、不明的場,似乎照顧到第五個問題,如同Shannon Hall對新科學人雜誌(New Scientist)解釋

「SMASH增加一個新的場,稍微不同地解釋這些問題中的一些問題。這個場包括兩個粒子:軸子(axion),暗物質的黑馬候選粒子,以及暴脹子(inflaton),膨脹之後的粒子。

作為一個最終的炫耀,SMASH使用這個場來介紹第五個難題的解決方案:強CP問題。

這個團隊表示他們的假設可以使用下一代粒子加速器來進行測試,意風味著它在可能性的範圍之內,這使得它比過去提出的其他解決方案更加令人信服。

rexfeatures_1792830k1

團隊中的一位成員、來自德國電子同步加速器(German Electron Synchrotron)的Andreas Ringwald告訴Hall:「這個理論的最好的地方是,它可以在未來10年左右進行測試或檢查。」

「你可以一直發明新的理論,但如果它們只能在100年被測試或是沒有測試,那麼這不是真正的科學,而是元科學(meta-science)。」

應該注意的是,SMASH模型尚未發表在同行評議的期刊上,所以它仍然需要經歷粒子物理學世界的審查。但它現在上傳到預印網站arXiv.org上,所以獨立的物理學家有機會來做評議。

這可能不會以’五大問題’的最終解決方案作為結束,物理學從來就不是切得乾乾淨淨的, 但它可能是一些很棒的事物的開始。

如同Ringwald所說:「這戰爭已打開。」

來源:ScienceAlert