五種理論假想的“奇異粒子”
隨著科學家發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子,徹底證實該粒子的存在成為了后續(xù)科學實驗的主要目標之一,圍繞著希格斯粒子的存在和屬性,科學家進行了很長時間的爭論,曾有一個時期的爭議氣氛十分濃厚,很多物理學家表達了失望的情緒,但所有的新粒子特征指向了希格斯粒子的存在,發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的重要性在于對粒子物理標準模型的證實,標準模型理論有100多年的漫長歷史,充分解釋了宇宙物質微小粒子的構成方式。
在大型強子對撞機(LHC)和其它物理儀器的幫助下,很多物理學家一直期待在實驗過程中找到突破標準模型局限性的途徑,實驗結果可能對改變目前粒子物理學的思維方式產(chǎn)生震撼性的影響,揭示在宇宙物質中潛藏的粒子,其中有引力子和其它粒子,以下列舉了希格斯粒子以外的五種奇異粒子,這些粒子的存在與否可能在未來的物理實驗中得到證實。
1, 伴膠子(gluinos)、伴W粒子(winos)和光微子(photinos)
假如超對稱理論的正確性得到證實,那么根據(jù)這一理論的推導,可以期待十多個有待檢驗的新粒子,依據(jù)超對稱理論的解釋,每個基本粒子都有一個配對的潛在粒子,基本粒子和配對粒子組成了粒子對。標準模型區(qū)分了兩類基本粒子,一是玻色子,它是力的傳遞者或形成力的媒介,其中包括了膠子和引力子;二是是費米子,它含有質量或是物質的載體,其中包括了夸克、電子和中微子等。
印第安納大學的物理學家波林·蓋格農(nóng)在博客中解釋了基本粒子的分類,依據(jù)超對稱理論的推測,一種費米子與一種玻色子形成了配對或組合,反之亦然,一種玻色子與一種費米子形成了配對或組合,根據(jù)這種組合邏輯的推理,作為一種玻色子的膠子有它的對應物——伴膠子(gluinos),W粒子有它的對應物——伴W粒子(winos),光子有它的對應粒子——光微子(photinos或伴光子),以此類推,希格斯粒子有它的對應粒子——伴希格斯粒子(Higgsinos)。

科學家通過建在日內(nèi)瓦的大型強子對撞機實驗發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子,這一發(fā)現(xiàn)似乎意味著宇宙不可避免的毀滅性,質子與質子的碰撞產(chǎn)生了一種與希格斯粒子有一致性特征的新粒子。到目前為止,通過大型強子對撞機的實驗方式?jīng)]能證實理論預測的超對稱理論,沒有發(fā)現(xiàn)難以捉摸的奇異粒子的行蹤,紐約哥倫比亞大學的數(shù)學物理學家彼得·沃特明確指出,理論預測的奇異粒子未必存在,超對稱理論本身可能有缺陷。2012年,物理學家發(fā)現(xiàn)了一個極為罕見的粒子,它被稱之為B.S或B—Sub—S介子,該粒子的壽命極其短暫。
兩個以近光速飛行的質子發(fā)生了正面撞擊,質子與質子的碰撞在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生了B.S介子,存在幾率非常低的B.S介子適合標準模型的推測,通過物理實驗的事實可以證實,假如存在任何的超對稱粒子,那么現(xiàn)在的超對稱粒子將比最初的粒子重了很多。超對稱理論有一個弱點,設定了大約105個自由參數(shù),過多的參數(shù)帶來了一些問題,物理學家對新發(fā)現(xiàn)粒子的尺寸和能量沒能給以很好的界定,科學家難以確認在什么地方尋找這些奇異的粒子。
2, 中輕微子或中性伴子Neutralinos
超對稱理論預測了太空的中輕微子,不帶電荷,它的存在可以解釋宇宙學的一大懸疑物——暗物質,科學家認為,暗物質占到了宇宙物質的大部分,科學家通過暗物質施加的巨大引力間接地探測到了它的存在,印第安納大學的物理學家蓋格農(nóng)解釋說,除了伴膠子以外,超對稱理論預測了的一種粒子,它是混合了所有力的攜帶者的粒子體或粒子混合體,從中產(chǎn)生了中輕微子粒子。
中輕微子在早期灼熱的宇宙羹湯中形成,留下了足夠的暗物質存在方式的痕跡,現(xiàn)在可以通過暗物質的拖動作用真切地感受到這種粒子強有力的存在,科學家以前所未有的使命感和熱情對它存在的蛛絲馬跡進行搜索,他們使用了伽瑪射線和中微子(Neutrino)望遠鏡,期望最終搜索到在宇宙空間無處不在的暗物質,比如:暗物質存在于太陽和銀河系中心。物理學家宣布了一項大科學計劃,在國際空間站安裝一臺粒子接收器,阿爾法磁譜儀的科學團隊找到了某種暗物質的間接證據(jù),公布了細節(jié)性的信息。

3,引力子
引力子和引力波的物理特性曾困惑著晚年的愛因斯坦,也一直困擾著后續(xù)的物理學家,愛因斯坦和后續(xù)的物理學家在孜孜不倦的探求中渴望建立單一或統(tǒng)一的物理學理論,將自然界的物質和力納入“大統(tǒng)一理論”,既解答在微觀世界中力的作用方式,也解答在宏觀世界中力的作用模式。愛因斯坦沒能實現(xiàn)物理學的統(tǒng)一之夢,新物理學的興起很有可能實現(xiàn)這一夢想。愛因斯坦的相對論很好地解釋了引力,但相對論難以解釋粒子的量子行為,而粒子物理學很好地解釋了粒子的量子行為,卻不能有效地解釋引力。
物理學家嘗試用量子物理學解釋引力的現(xiàn)象,他們提出了承載引力的粒子概念,理論假設的粒子被稱為引力子,假設的引力子非常微小,沒有質量,能夠釋放引力波。從理論上說來,每一個引力子釋放了對宇宙物質的拉動作用,但人們很難從引力的作用中找到引力子的存在,對引力子的探測極為困難,主要是由于引力子和物質的交互作用極其微弱。
幾乎不可能運用現(xiàn)有的技術手段直接探測到幽靈般的引力子,科學家一直沒有發(fā)現(xiàn)引力子的存在,不能簡單地說這是物理學的不幸,物理學家沒有喪失深度探索的信心,他們研發(fā)了引力波的搜索儀器,通過激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)對引力波進行高精確性的搜索,引力波是一種時空結構的波動現(xiàn)象,通過使用先進的激光干涉儀,物理學家希望揭示引力子的存在與否。
4,非粒子(Unparticle)
科學家發(fā)現(xiàn)了一種奇異粒子的行蹤,他們將“來無影,去無蹤”的詭秘粒子稱為非粒子,這一粒子可能揭示自然界的“第五種力”,在已知的四種基本力之外似乎存在第五種力,非粒子似乎可以解釋,在一個遠距離的范圍,兩個自旋的粒子發(fā)生了令人不可思議的交互作用現(xiàn)象,在一個短距離的范圍,普遍存在自旋粒子的交互作用。

非粒子在微小尺度上形成了結合力,在磁場和金屬物體中聚集和排列了電子旋,但自旋粒子在遠距離表現(xiàn)的交互作用令人難以捉摸。物理學家在地球的地幔層搜索到了非粒子信號的痕跡,大量的電子在地幔層形成了堆積現(xiàn)象,非粒子可能和地球的磁場結合為牢不可破的整體,一旦磁場與非粒子的緊密結合出現(xiàn)了輕微的擾動,那么緊密性結合的微小變化可能展示出非粒子存在的一絲蹤跡。
5,變色龍粒子
物理學家設想了一種更加難以捉摸的粒子,它被稱為變色龍粒子,似乎含有可變的物質成分,假如證實了這一變化無常的粒子,那么變色龍粒子的存在方式可能幫助人們很好地解釋暗物質和暗能量的相互關系。2004年,物理學家設想了一種大小為一個變數(shù)的力,它的變化特性取決于環(huán)境參數(shù),在諸如地球和太陽物質密度大的環(huán)境,變色龍粒子受到了高緊固度物質的壓力,可能釋放出弱的力,反之,在物質密度小的環(huán)境,可能釋放出強的力。
變色龍粒子的獨特性可以說明,在早期宇宙物質分布的致密性環(huán)境,它的作用力變得弱小,在宇宙加速膨脹的過程中,星系之間的距離不斷擴大,星系物質的密度隨之不斷縮小,它的作用力隨時間的進程變得強大。物理學家設想了尋找的方法,利用光子在強磁場中發(fā)生的衰變尋找變色龍粒子存在的證據(jù),到目前為止,物理學家沒有發(fā)現(xiàn)任何線索,但他們尋找變色龍粒子的實驗仍在繼續(xù)。

(編譯:2021-3-19)
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