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2021年:物理学家问‘标准模型之外还有什么?’

物理学 2023-01-10 22:39:28

作者:亚伦·麦高恩,《对话》 欧洲大型强子对撞机的实验,像这里看到的ATLAS热量计,正在提供更精确的基本粒子测量

信用:Maximilien Brice,CC BY 如果你让像我这样的物理学家来解释这个世界是如何运转的,我懒惰的回答可能是:“它遵循标准模型

" 标准模型解释了宇宙运行的基本物理原理

尽管实验物理学家不断探索模型基础上的裂缝,但它已经绕太阳运行了50多次

除了少数例外,它经受住了这种审查,以优异的成绩通过了一次又一次的实验测试

但是这个非常成功的模型存在概念上的空白,这表明关于宇宙是如何工作的,还有很多东西需要学习

我是中微子物理学家

中微子代表了标准模型中17种基本粒子中的三种

它们在一天中的任何时候都穿过地球上的每一个人

我研究中微子和正常物质粒子之间相互作用的性质

2021年,世界各地的物理学家进行了一系列探索标准模型的实验

团队比以往任何时候都更精确地测量模型的基本参数

其他人调查了知识的边缘,在那里最好的实验测量与标准模型的预测不完全匹配

最后,研究小组建立了更强大的技术,旨在将模型推向极限,并有可能发现新的粒子和领域

如果这些努力取得成功,它们可能会在未来导致一个更完整的宇宙理论

填充标准模型中的孔 1897年,J

J

汤姆逊发现了第一个基本粒子,电子,只用了玻璃真空管和电线

100多年后,物理学家仍在发现标准模型的新部分

物理学的标准模型允许科学家对世界如何运转做出令人难以置信的准确预测,但它并不能解释一切

信用:欧洲核子研究中心 标准模型是一个做两件事的预测框架

首先,它解释了物质的基本粒子是什么

这些东西像电子和夸克,组成质子和中子

其次,它利用“信使粒子”预测这些物质粒子如何相互作用

“这些被称为玻色子——它们包括光子和著名的希格斯玻色子——它们传达了自然界的基本力量

希格斯玻色子直到2012年才被发现,这是欧洲粒子对撞机欧洲核子研究中心(CERN)几十年的工作成果

标准模型非常擅长预测世界运行的许多方面,但它确实有一些漏洞

值得注意的是,它不包括对重力的任何描述

虽然爱因斯坦的广义相对论描述了引力是如何工作的,但物理学家还没有发现一种能传递引力的粒子

一个合适的“万物理论”可以做标准模型所能做的一切,但也包括传达重力如何与其他粒子相互作用的信使粒子

标准模型不能做的另一件事是解释为什么任何粒子都有一定的质量——物理学家必须直接用实验来测量粒子的质量

只有在实验给了物理学家这些精确的质量后,它们才能用于预测

测量越好,可以做出的预测就越好

最近,欧洲核子研究中心一个团队的物理学家测量了希格斯玻色子对自己的感觉有多强烈

欧洲核子研究中心的另一个小组也比以往任何时候都更精确地测量了希格斯玻色子的质量

最后,在测量中微子质量方面也取得了进展

物理学家知道中微子的质量大于零,但小于目前可探测的数量

德国的一个团队继续改进技术,使他们能够直接测量中微子的质量

新力量或粒子的暗示 2021年4月,费米实验室的μ子g-2实验成员宣布了他们对μ子磁矩的首次测量

μ子是标准模型中的基本粒子之一,对其性质之一的这种测量是迄今为止最精确的

这个实验之所以重要,是因为测量结果与磁矩的标准模型预测不完全匹配

基本上,μ子的行为并不像他们应该的那样

这一发现可能指向未被发现的与μ子相互作用的粒子

像μg-2实验这样的项目突出了实验测量和标准模型预测之间的差异,指出了物理学中的某些问题

信用:赖达尔·哈恩/维基百科,抄送 但与此同时,在2021年4月,物理学家Zoltan·福多尔和他的同事展示了他们如何使用一种叫做晶格QCD的数学方法来精确计算μ子的磁矩

他们的理论预测不同于旧的预测,仍然在标准模型中起作用,重要的是,与μ子的实验测量相匹配

在物理学家知道实验结果是否真的超出标准模型之前,先前接受的预测、这个新结果和新预测之间的分歧必须得到调和

升级物理工具 物理学家必须在创造关于构成理论的现实的令人费解的想法和将技术发展到新的实验可以检验这些理论的地步之间摇摆

2021年是推进物理实验工具的重要一年

首先,世界上最大的粒子加速器,欧洲核子研究中心的大型强子对撞机被关闭,并进行了一些实质性的升级

物理学家刚刚在10月重启了该设施,他们计划在2022年5月开始下一次数据收集运行

升级提高了对撞机的功率,使其能够以14 TeV的速度产生碰撞,高于之前13 TeV的极限

这意味着成束绕着圆形加速器运行的一批批微小质子所携带的能量与80万磅(36万公斤)的旅客列车以100英里/小时(160公里/小时)的速度运行时所携带的能量相同

在这些不可思议的能量下,物理学家可能会发现新的粒子,它们太重了,在较低的能量下看不见

其他一些技术进步也有助于寻找暗物质

许多天体物理学家认为,目前不符合标准模型的暗物质粒子可以回答一些悬而未决的问题,这些问题涉及引力绕恒星弯曲的方式——称为引力透镜效应——以及螺旋星系中恒星旋转的速度

像低温暗物质搜索这样的项目还没有找到暗物质粒子,但研究小组正在开发更大、更灵敏的探测器,将在不久的将来部署

与我的中微子工作特别相关的是像超级神冈和沙丘这样巨大的新探测器的发展

利用这些探测器,科学家们将有希望回答中微子振荡的基本不对称的问题

它们还将被用来观察质子衰变,这是一种被提出的现象,某些理论预测会发生

2021年强调了标准模型未能解释宇宙所有奥秘的一些方式

但是新的测量和新的技术正在帮助物理学家在探索万物理论的道路上前进

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