你知道“宇称对称性”吗?它可能是新的物理学方向

2019-06-25| 发布者: 水晶源| 查看: 36

绝密档案:你知道“宇称对称性”吗?它可能是新的物理学方向

  新浪科技讯 北京时间6月25日消息,据国外媒体报道,粒子物理学研究迫切需要升级,而物理学家手头正好有这样一个问题:一些粒子和力在镜像中可能变得很不一样,这一问题本身就使所谓的标准模型陷入混乱。

  当宇宙中的亚原子粒子转化为镜像时,它们之间几乎所有的基本反应看起来都是一样的,这种镜像被称为宇称,被认为是对称的,或者按物理学的说法,具有宇称对称性。

  然而,并不是所有粒子都遵循这一规则,例如,我们知道,涉及弱核力(弱相互作用)——本身因为诸多原因而显得十分奇异——的反应就违反了宇称对称性,因此,可以合乎情理地推测,量子世界中的其他力和粒子也可能破坏这种对称性。

  物理学家对这些理论上会违反宇称对称性的反应很感兴趣,因为它们可能会为我们指明新的物理学方向,帮助我们超越粒子物理的标准模型。在粒子物理学中,标准模型是对所有亚原子事物的总结,是描述强核力(强相互作用)、弱核力和电磁力这三种基本相互作用及组成所有物质基本粒子的理论。到目前为止,几乎所有对这三种力的实验结果都符合标准模型的预测。

  不幸的是,我们似乎永远不会在粒子加速器和实验室中看到奇怪的宇称违背反应,这种相互作用非常罕见,而且很微弱,目前的仪器还无法探测到。

  不过,也有一些罕见的例外。

绝密档案:你知道“宇称对称性”吗?它可能是新的物理学方向

  位于日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC)是世界上最大的粒子加速器,那里的研究人员一直在寻找这些罕见的相互作用,到目前为止,研究人员还没有获得实质性的进展,但即使这样的结果也能带来启发。否定的结果有助于剔除毫无结果的假设,让物理学家能够专注于寻找更有希望的新物理方法。

  对称性是物理学中最重要的概念之一。

  你甚至可以说,物理学家的工作就是在寻找对称性,对称性揭示了支配现实最内在运作的自然基本法则,这可是个大问题。

  那么,什么是对称性呢?对称性意味着,如果你改变某个过程或相互作用中的一个元素,这个过程保持不变,则在物理学上关于这一改变的过程是对称的。这里可能有点模糊,因为有许多不同的对称性,例如,有时可以改变粒子电荷的符号,有时可以观察过程在时间上向前或向后,有时还可以运行某个过程的镜像版本。

  最后一个,在镜像中观察某个过程,即称为宇称对称性。物理学中,大多数亚原子间的相互作用,无论发生在你面前还是在镜像中,都会得到完全相同的结果,但是,有些相互作用违反了这种对称性,比如弱核力,尤其是涉及到产生中微子的弱核力过程。

  中微子总是“向后”自旋(换句话说,它们的自旋点的轴总是远离运动方向),而反中微子则是“向前”旋转(它们的自旋点的轴在它们飞行时一直向前),这意味着在常规实验中产生的中微子和反中微子的数量,与依赖弱核力的镜像翻转实验相比,存在着非常细微的差异。

  破碎的镜子

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  据我们所知,弱核力和弱核力本身违反了宇称对称性。不过,这或许并不是个例,我们知道,肯定存在着超出目前认知的物理学,一些理论观点和概念也违反了宇称对称性,例如,有一些理论预测,在LHC通常检测的粒子种类的“正常的”相互作用中,存在着微妙的不对称。

  当然,这些理论观点既奇异又复杂,而且很难验证,在很多情况下,物理学家并不确定要寻找什么。

  问题是,尽管我们知道目前粒子世界的标准模型是不完整的,但我们不知道到哪里去寻找新的模型。许多物理学家希望大型强子对撞机能揭示出一些东西——某种新的粒子、新的相互作用等等;只要能让我们找到一些新的、令人兴奋的东西就行,但是,到目前为止,所有这些探索都失败了。

  在标准模型之外,许多先前颇受关注的理论(如超对称理论)正逐渐被排除,而这正是违反宇称对称性可能派上用场的地方。几乎所有标准模型常见假设的延伸都包括一个限制条件,即只有弱核力违反了宇称对称性。这已经融入到标准模型的基础数学中,这也意味着,像超对称性、轴子和轻夸克这样的概念都是在“原地”保留着这种对称性的破坏,而没有涉及到其他过程。

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  然而,如果这些常见的延伸没有成功,那么也许是时候拓宽我们的视野了。

  为此,一组研究人员在大型强子对撞机的紧凑μ子线圈(CMS)实验释放的数据缓存中寻找宇称违背的迹象,这是一次相当棘手的寻找过程,因为这并不是建造大型强子对撞机的真正目的,但研究人员聪明地找到了一种方法,通过检测其他粒子之间相互作用的遗留物来达到目的。

  研究的结果是:没有发现违反宇称对称性的迹象。标准模型再次经受住了考验。

  虽然这项研究没有开辟物理学的新领域,有点令人失望,但也将有助于未来的搜索变得更加清晰。如果我们继续搜寻,但仍然没有发现弱核力以外违反宇称对称性的证据,那么可以推测,在标准模型之外可能存在一些与主流理论相同的数学结构,只允许弱核力出现不同的镜像。(任天)

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