2021：這一年，物理學(xué)家們探索的問題：標(biāo)準(zhǔn)模型之外是什么？
探索宇宙真理的模型--標(biāo)準(zhǔn)模型。
這篇文章最初發(fā)表在《對話》（The Conversation）上，該出版物將本文推薦到Space的專家之聲：專欄和見解（Expert Voices: Op-Ed & Insights).
亞倫-麥高文（Aaron McGowan): 羅切斯特理工學(xué)院（Rochester Institute of Technology）物理學(xué)和天文學(xué)首席講師。
如果你問一個(gè)像我一樣的物理學(xué)家解釋這個(gè)世界是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的，我不走心的回答可能會(huì)是：“它遵循著標(biāo)準(zhǔn)模型。“
標(biāo)準(zhǔn)模型解釋了宇宙運(yùn)行的基本物理原理。盡管實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們不斷探究該模型基本原理的瑕疵，但它還是經(jīng)受住了50多次圍繞太陽的旅行。
除了少數(shù)例外，它站穩(wěn)了腳，以接觸的表現(xiàn)通過了一次又一次的實(shí)驗(yàn)測試。但是這個(gè)極其成功的模型有概念上的缺陷，這表明還有一些關(guān)于宇宙如何運(yùn)作的知識(shí)需要學(xué)習(xí)。
我是一個(gè)中微子物理學(xué)家。中微子代表了標(biāo)準(zhǔn)模型中17個(gè)基本粒子中的3個(gè)，它們無時(shí)無刻不穿透著地球上的每個(gè)人。我研究中微子與正常物質(zhì)粒子之間的相互作用的特性。
在2021年，世界各地的物理學(xué)家都做了一些實(shí)驗(yàn)，研究了標(biāo)準(zhǔn)模型。團(tuán)隊(duì)們更精準(zhǔn)地測量了模型的基本參數(shù)，其精確度是前所未有的。 其他人則調(diào)查了知識(shí)的邊緣，發(fā)現(xiàn)最好的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測不完全吻合。最后，各小組構(gòu)建了更強(qiáng)大的技術(shù)，旨在將模型推向極限，并可能發(fā)現(xiàn)新的粒子和場。如果這些努力成功，它們可能會(huì)在未來導(dǎo)致更完整的宇宙理論。
物理標(biāo)準(zhǔn)模型允許科學(xué)家對世界如何運(yùn)作做出令人難以置信的準(zhǔn)確預(yù)測，但它并不能解釋一切。（圖片來源：歐洲核子研究中心）
填補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)模型中的漏洞
1897年，J.J.湯姆森（J. J Thomson）只使用玻璃真空管和電線發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)基本粒子——電子。100多年后，物理學(xué)家仍在發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的新部分。
標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)預(yù)測框架，可以做兩件事。首先，它解釋了物質(zhì)的基本粒子是什么。這些東西就像電子和夸克一樣，構(gòu)成了質(zhì)子和中子。其次，它使用“信使粒子”預(yù)測這些物質(zhì)粒子如何相互作用。這些被稱為玻色子——它們包括光子和著名的希格斯玻色子——它們傳達(dá)了自然的基本力量。在歐洲巨大的粒子對撞機(jī)歐洲核子研究中心工作了幾十年后，希格斯玻色子直到2012年才被發(fā)現(xiàn)。
標(biāo)準(zhǔn)模型非常擅長預(yù)測世界運(yùn)作的許多方面，但它確實(shí)有一些漏洞。
值得注意的是，它不包括任何重力描述。雖然愛因斯坦的廣義相對論描述了重力的工作原理，但物理學(xué)家尚未發(fā)現(xiàn)一種傳遞重力的粒子。一個(gè)適當(dāng)?shù)摹叭f物理論”將做標(biāo)準(zhǔn)模型所能做的一切，但也包括傳達(dá)重力如何與其他粒子相互作用的信使粒子。
標(biāo)準(zhǔn)模型不能做的另一件事是解釋為什么任何粒子都有一定質(zhì)量——物理學(xué)家必須直接通過實(shí)驗(yàn)來測量粒子的質(zhì)量。只有在實(shí)驗(yàn)給物理學(xué)家這些精確的質(zhì)量后，它們才能用于預(yù)測。測量越好，可以做出的預(yù)測就越好。
最近，歐洲核子研究中心一個(gè)團(tuán)隊(duì)的物理學(xué)家測量了希格斯玻色子的強(qiáng)烈感受。歐洲核子研究中心的另一個(gè)團(tuán)隊(duì)也比以往任何時(shí)候都更準(zhǔn)確地測量了希格斯玻色子的質(zhì)量。最后，在測量中微子的質(zhì)量方面也取得了進(jìn)展。物理學(xué)家知道中微子的質(zhì)量超過零，但低于目前可檢測到的數(shù)量。德國的一個(gè)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)完善技術(shù)，使他們能夠直接測量中微子的質(zhì)量。
Muon g-2實(shí)驗(yàn)等項(xiàng)目突出了實(shí)驗(yàn)測量和標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測之間的差異，這些差異指向了物理學(xué)中的某個(gè)地方的問題。（圖片來源：Reidar Hahn/Wikimedia Commons）
新的力或粒子的線索
2021年4月， 費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Muon g-2實(shí)驗(yàn)的成員宣布了他們對μ介子磁矩的首次測量。μ子是標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子之一，迄今為止對其特性之一的測量是最準(zhǔn)確的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)之所以重要，是因?yàn)闇y量結(jié)果與磁矩的標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測不完全匹配?；旧?，μ子的行為不正常。這一發(fā)現(xiàn)可能指向未被發(fā)現(xiàn)的與μ子相互作用的粒子。
但與此同時(shí)，在2021年4月，物理學(xué)家佐爾坦·福多爾和他的同事展示了他們?nèi)绾问褂靡环N名為格子QCD的數(shù)學(xué)方法來精確計(jì)算μ子的磁矩。他們的理論預(yù)測與舊的預(yù)測不同，仍然在標(biāo)準(zhǔn)模型中有效，重要的是，與μ子的實(shí)驗(yàn)測量相匹配。
在物理學(xué)家知道實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否真正超出標(biāo)準(zhǔn)模型之前，必須調(diào)和之前接受的預(yù)測、這一新結(jié)果和新預(yù)測之間的分歧。
新工具將幫助物理學(xué)家尋找暗物質(zhì)和其他有助于解釋宇宙奧秘的東西。（圖片來源：Mattia Di Mauro（ESO/Fermi-Lat）
升級物理工具
物理學(xué)家必須在制定構(gòu)成理論的關(guān)于現(xiàn)實(shí)的扭曲思想和推進(jìn)技術(shù)到新實(shí)驗(yàn)可以測試這些理論的地步之間搖擺不定。2021年是推進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)工具的大年頭。
首先，世界上最大的粒子加速器，歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)，被關(guān)閉，并進(jìn)行了一些實(shí)質(zhì)性升級。物理學(xué)家剛剛于10月重新啟動(dòng)了該設(shè)施，他們計(jì)劃于2022年5月開始下一次數(shù)據(jù)收集工作。
升級提高了對撞機(jī)的功率，使其可以在14 TeV時(shí)產(chǎn)生碰撞，高于之前的13 TeV限制。這意味著成批以光束繞圓形加速器運(yùn)行的微小質(zhì)子攜帶的能量與以每小時(shí)100英里（160千米）的速度行駛的80萬磅（36萬千克，360噸）客運(yùn)列車的能量相同。在這些令人難以置信的能量下，物理學(xué)家可能會(huì)發(fā)現(xiàn)新的粒子太重了，無法在較低的能量下看到。
為了幫助尋找暗物質(zhì)，還取得了其他一些技術(shù)進(jìn)步。許多天體物理學(xué)家認(rèn)為，目前不適合標(biāo)準(zhǔn)模型的暗物質(zhì)粒子可以回答一些懸而未決的問題，這些問題涉及重力繞恒星彎曲的方式——稱為引力透鏡——以及恒星在螺旋星系中旋轉(zhuǎn)的速度。像低溫暗物質(zhì)搜索這樣的項(xiàng)目尚未找到暗物質(zhì)粒子，但這些團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)更大、更敏感的探測器，以便在不久的將來部署。
與我使用中微子的工作特別相關(guān)的是開發(fā)了巨大的新探測器，如頂級神岡探測器（Hyper-Kamiokande）和沙丘（DUNE）。使用這些探測器，科學(xué)家有望回答關(guān)于中微子振蕩的基本不對稱性的問題。它們還將用于觀察質(zhì)子衰變，某些理論預(yù)測應(yīng)該發(fā)生這種擬議現(xiàn)象。
2021年強(qiáng)調(diào)了標(biāo)準(zhǔn)模型未能解釋宇宙每個(gè)謎團(tuán)的一些方式。但新的測量和新技術(shù)正在幫助物理學(xué)家在尋找萬物理論方面取得進(jìn)展。
BY: Aaron McGowan
FY: 青山綠水
如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請?jiān)谧髌钒l(fā)布后聯(lián)系作者刪除
轉(zhuǎn)載還請取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處
