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大统一理论死期未到

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:9

    20世纪70年代是粒子物理的黄金时代:位于美国和欧洲的新加速器不断发现新的未知粒子,等待理论家们去解释说明;而理论家们也反过来预言新的粒子,等待实验家们去探测发现。这个过程的结果便是关于基本粒子及其相互作用的标准模型(Standard Model)的建立,这个理论本质上是对物质的基本组成单位以及支配它们的相互作用力的梳理。

    虽然标准模型对亚原子世界的描述已经很成功了,但是在一些非常重要的方面,比如粒子的质量等,还需要通过实验观测而非理论预言来确定。

    “如果把标准模型完整地写出来,你会发现它简直是一团糟,”来自伦敦国王学院的粒子物理学家John Ellis说道,“这个理论包含一大堆参数,而且它们看起来都是任意选定的。这让我无法相信它是一个终极理论。”

    人们希望进一步建立一个大统一理论(grand unified theory,简称GUT),将四种已知相互作用中的三个联系起来,从而以优美的方式解释这个宇宙是如何运行的。物理学家们最先联系起来的两种相互作用是电磁相互作用和弱相互作用,前者描述了原子结构和光的行为,后者与粒子衰变有关,电磁相互作用和弱相互作用被统一起来以后统称电弱理论(electroweak theory)。

    但是他们并没有满足于此。科学家们开始尝试将电弱理论和第三种相互作用——强相互作用也联系起来,后者是将夸克束缚在一起,从而组成原子中的质子和中子的作用力。(第四种已知的相互作用力就是引力,目前为止还没有完备可行的量子理论能将引力纳入其中,找出统一所有四种相互作用的“万有理论”是物理学家的终极目标,但它现在看起来还很遥远。)

    由于这些相互作用的性质十分不同,因此将它们统一到单个理论中并非易事。电磁相互作用是长程的,弱相互作用是短程的,强相互作用在像宇宙早期的高能下很弱,而在低能下又很强。如果要统一这三种力,科学家们就需要解释为什么它们来自于同一个东西,在现实世界中的表现却又可以如此不同。

    在电弱理论中,电磁相互作用和弱相互作用只在粒子加速器或者早期宇宙这样很高的能量下才统一为单一的相互作用。在高于一个能量阈值(这个阈值被称作“电弱能标”)时,这两种相互作用是没有差别的,但是在能量低于这些值后,这种统一就被破坏了。

    建立于20世纪70年代的大统一理论将强相互作用也包含了进来,并且像电弱理论当初那样也预言了新的粒子。首个大统一模型给出了粒子质量之间的关系,并且使得物理学家在实验观测之前就对次最重粒子做出了预言。

    大统一理论死期未到

    图片来源:Sandbox Studio,Chicago

    “我们在底夸克被发现之前就计算了它的质量。”来自加利福尼亚大学伯克利分校的粒子物理学家Mary Gaillard说。后来,费米国家实验室的科学家在1977年发现了这个粒子。

    大统一理论还预言质子可以衰变到更轻的粒子。而这里只有一个问题:实验还没有观测到任何质子衰变的迹象。

    质子衰变问题

    在大统一理论中,所有的夸克(当然,也包括组成质子的夸克)都可以衰变到更轻的粒子。它预言,质子在远远长于宇宙年龄的时间尺度是不稳定的。为了最大化观测到质子衰变的可能性,物理学家需要建造包含大量原子的探测器。

    然而,日本第一代神冈探测器并未探测到任何质子衰变的信号,这就意味着质子的寿命比最初的大统一理论预言的要长。于是,为了解释这一现象,物理学家提出了更复杂的大统一模型,这些模型中包含更复杂的耦合和更多的粒子,给出的质子寿命更长。

    当今大多数大统一模型还嵌入了超对称理论(supersymmetry,简称SUSY),超对称是一种关于时空结构的理论,在粒子物理中有很深刻的应用。超对称利用一些额外的耦合来改变标准模型中三种相互作用的强度随能量的跑动行为,从而使得它们在称为大统一能标的超高能量下得以统一。

    “超对称理论引入了超对称粒子,在质子衰变中,更多的虚粒子会通过量子效应参与进来,”来自美国能源部SLAC国家加速器实验室的物理学家JoAnne Hewett说道,“这样,理论预言的质子的寿命就得以延长,从而超过之前实验给出的结果。”然而,基于超对称的大统一模型也有一些问题。

    “它们看上去有点乱糟糟的,”Gaillard说。这些理论包含了更多Higgs类型的粒子,其行为也和标准模型中的Higgs玻色子不同。有鉴于此,Gaillard和其他一些物理学家已经不像在20世纪七八十年代那么痴迷于大统一理论了。更糟糕的是,实验尚未探测到任何超对称粒子。然而,探索仍在继续。

    “大统一理论在哲学意义上的动机依然存在,而且其重要性仍和当初一样,并未有所消减,”Ellis说道。“我仍然爱着超对称理论,我对待大统一理论也仍然像初恋那般。”

    Hewett也同意,大统一理论死期未到。

    “我坚信,观测到质子衰变将改变我们所有人对这个世界的认知,”她说。“每个人都将认识到,我们由质子组成,并且‘哇哦,它们还可以衰变’!”

    一些规划中的大型实验设备,如日本的超超神冈实验(Hyper-K,日本先后建造了神冈探测器、超级神冈探测器Super-K,在那之后的Hyper-K只能翻译成超超神冈探测器了)以及美国深地中微子实验(Deep Underground Neutrino Experiment),将能够以前所未有的精度探测质子衰变。如果质子衰变被探测到,我们就可以了解大自然的基本相互作用力是如何统一的,我们也可以判断大统一理论最终是否值得我们信赖。

    撰文 马修·R·弗朗西斯(Matthew R. Francis)

    翻译 杜立配

    原文链接:

    https://www.symmetrymagazine.org/article/a-gut-feeling-about-physics

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