为什么说标准模型还不够完善,存在尚未发现的新粒子?
一尺之棰,日取其半,万世不竭出自庄子的《庄子》,又称《南华经》。
上段话是古人对无穷和物质基本单元的思考,现在看来虽然存在一些偏差,但是这种哲学思想一直在指导我们追寻物质的基本构成!我们现在对物质组成成分的理解已经达到了前所未有的高度,这得益于我们对基础物理学的发展。
不仅如此,我们还建立起了一套描述微观世界的标准模型,成功的解释了自然界的四大基本力以及它们相互作用的方式,那么我们现在拥有的这套至高无上的微观世界宝典是否就是宇宙的全部?自然界中是否还存在标准模型之外的粒子?宇宙中基本不可在分割的粒子
说到基础物理学,我们在很短的时间内就取得了长足的进步。在一个多世纪的时间里,我们发现了曾经认为是最基本、最小的物质单位:原子,实际上是由更小的粒子组成的:原子核和电子。原子核本身是由质子和中子构成的,而这些质子和中子是由更小的粒子构成的:夸克和胶子!
据我们所知夸克、胶子和电子是一些不能被分解成更小单元的粒子。当我们进一步计算我们所知的基本粒子时,我们还发现了其他不同类型的粒子,也不能被进一步分割:六个夸克(上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)、底(b)及顶(t)以及它们的反夸克,每一个夸克都有三种不同的色荷和两种不同的自旋(12、12)三个带电的轻子:电子、子和子以及它们的反轻子对应物,每个都允许有两种不同的自旋态,三个中性轻子:中微子(电子中微子,中微子和中微子),还有三个反中微子,中微子都是左旋12,反中微子是右旋12,胶子有两种不同的自旋状态(1、1),有八种色荷,光子有两种不同的自旋(1和1)W和Z玻色子有三种类型(W、W和Z),每个玻色子有三种允许的自旋态(1、0和1)希格斯玻色子,只存在一种自旋状态(0)。
上图是基本粒子的标准模型。据我们目前所知,这些是宇宙中已知的所有粒子,解释了我们曾经直接接触过的所有物质。
但是我们还知道宇宙中一定还有更多的粒子等待着我们去发现,因为目前标准模型中的粒子不能解释暗物质的存在。此外,我们目前所知道的粒子物理学存在理论上的局限性和不一致性(我们没有解决基本力统一问题或强cp问题的方法)因此我们怀疑宇宙中还有更多未知的超出标准模型的物理学。狄拉克对电子磁矩g因子的预测和施温格的修正
在标准模型中的第一代粒子,包括组成质子和中子的夸克,以及电子,这中间没有出现让我们无法解释的现象,等发展到第二代粒子就出现了一些问题!这也可能是让我们进入未来物理学的第一个窗口。
标准模型中的每一个带电粒子,夸克、带电的轻子和w玻色子不仅有电荷,而且有基本的自旋,或者说是固有的角动量。在我们的宏观世界里,任何带有电荷的物体移动或旋转,都会产生磁场。上面提到的所有粒子也都有固有的磁矩。
我们知道每个粒子的磁矩应该与自旋和电荷成正比,且与质量成反比,那么每一个特定的粒子就应该有一个常数g(朗德因子或g因子)。
1928年,保罗狄拉克(PaulDirac)首次对所有带电的轻子和夸克的这个常数进行了预测,他预测电子(还有子和子)的g应该等于2。
但是相对论量子力学并不是整个故事的全部,因为不考虑整个宇宙的量子场本质就去考虑量子粒子(或波)是错误的!除了简单的粒子和它们自身固有的磁场外,标准模型中的所有其他粒子都可以相互作用,包括自作用,共同构成了整体固有磁场。
上面的第二张图显示了对狄拉克g2预测的第一次修正,狄拉克的g2预测是由朱利安施温格首先在量子电动力学的第一次实际应用中计算出来的。施温格的一阶修正的g应该是2(1a),其中a为精细结构常数2,这个公就刻在施温格的墓碑上。
电子g因子与标准模型预测相符,但无法解释子的差异
我们现在已经计算出了更高阶的校正量,而且对于电子和子的g因子测量也非常精确。众所周知,电子g因子是2。00231930436146,是最精确测量的物理量之一,与理论预测也惊人地吻合。
但是对于子来说比电子重约200倍,它的预测g值和测量g值之间存在轻微但显著的差异!
我们实验测得子g为2。00233184178,仅在标准模型内预测其值为2。0023318364。这两个数字很接近,但这些差异是显著的!引用托马斯布卢姆等人在(2013年)的话:这两个数字的比较,导致实验和理论之间的差异在4。1到4。7之间。
为标准差,是Motorola于1986年提出了百万机会缺陷数,其中4每百万机会6209。6个差错,5每百万机会232。6个差错!5(5个标准误差),说明理论的可信程度达到了99。99997!
子g值的理论差异和实验差异已经存在了几十年,而且随着时间的推移,这种差异的证据也会越来越多。
在当今的物理学中5是实验和理论预测的黄金标准,因此我们已经找到了超越标准模型的强有力的物理证据!因为粒子物理学存在一些未知的额外粒子和相互作用,对子磁矩产生了很大程度的影响,因此会造成理论预测和实验的误差。
顺便说一句,自2001年以来关于子磁矩这个主题已经科学家已经发表了成千上万篇论文,因为如果有超越标准模型的新物理学,那么对子磁矩实验的研究是揭示新粒子和新物理学的一个很好的窗口。总结:有很多证据都预示着标准模型的不完善
除了大型强子对撞机以及对潜在的新粒子的探索,可以为我们超越标准模型打开新物理学的大门以外,对子g因子的研究也可能是一个很好的机会。不管怎样,我们现在十分确定的是,目前拥有的标准模型并不是我们宇宙的全部。还存在着一些我们目前尚未发现的的例子,是它们组成了暗物质、导致了强CP破坏、违反重子数守恒,甚至解决宇宙起源物质的来源和反物质消失之谜。
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