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标准|粒子物理新发现频出 标准模型能否“守擂”成功

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编者按我们的世界由一系列粒子组成 。 多年来 ， 科学家从未停止过对粒子及它们之前相互作用的探索 ， 取得的成果也在不断地革新我们对世界的认知 。 4月初 ， 美国费米国家加速器实验室公布的一项新的研究成果在国际物理学界掀起轩然大波 ， 也再度引发了人们对于粒子物理学的关注与好奇 。
基于此 ， 本报推出粒子物理系列报道 ， 关注粒子物理的基本原理与发展 。
标准模型是对微观世界的描述 ， 这些极小尺度上的粒子的存在规律和相互作用现象 ， 一步一步累加连接 ， 最终构成了宏观物质世界乃至整个宇宙 。
——吴雨生 中国科学技术大学近代物理系博士生导师、特任教授
粒子物理系列报道①
◎本报采访人员 吴长锋
3月23日 ， 欧洲核子研究中心(CERN)LHCb实验的英国物理学家宣布 ， 由LHCb(大型强子对撞机)合作进行的实验 ， 可能发现了与标准模型矛盾的现象 。 但目前这些实验数据的可信度还不足以宣称“可靠的发现” 。
【标准|粒子物理新发现频出 标准模型能否“守擂”成功】无独有偶 ， 4月7日 ， 美国费米国家加速器实验室召开网络视频发布会 ， 公布了缪子g-2实验组对于缪子反常磁矩的首个测量结果：现有结果与粒子物理标准模型预言之间存在4.2倍标准差的偏离 。 一石激起千层浪 ， 这个结果不仅吸引了全球粒子物理学家的关注 ， 也引来了媒体的目光 。 两周时间内 ， 超出标准模型的新物理再次成为热点话题 。 那么 ， 这个所谓的“标准模型”到底是什么呢？
宇宙物质构成的“砖块”
“简单来说 ， 标准模型是描述微观世界物质组成与相互作用的理论框架 。 ”中国科学技术大学近代物理系博士生导师、特任教授吴雨生告诉科技日报采访人员 ， 标准模型理论框架是基于量子场论的 ， 主要理论观点源自时间—空间的基本对称性 ， 并包含基本物质粒子、传播相互作用的传播子以及给基本粒子带来质量的粒子 。
物质由原子组成 ， 原子则由原子核及绕核运动的电子组成 。 原子核内包含质子和中子 ， 这些原子核内质子和中子不同的数目决定了不同原子不同的物理性质 。
但质子、中子还能不能再分？电子还能不能再分？要解决这些问题 ， 科学家采取的办法就是：撞它！撞它！1968年 ， 斯坦福直线加速器中心的实验者们利用强大的技术力量探索了物质的微观层次 ， 发现质子和中子分别由三个夸克组成 。
通过用更快更强的对撞机去撞击物质碎片 ， 物理学家不断得出新的粒子 。 目前已经发现的组成物质的基本粒子有6种夸克：上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克、底夸克；6种轻子：电子、电子中微子、μ子、μ中微子、τ子、τ中微子 。
这6种夸克和6种轻子是物质组成的基础单元 ， 目前它们不能再分割 ， 也不能相容和叠加 ， 而只能像乐高积木一样堆积成各种各样的物质 。 这6种夸克和6种轻子都是基本费米子 。
有了费米子 ， 就可以组成物质了吗？“还是不可以 。 就像建房子一样 ， 有了砖块、瓦块还是不能堆成房子 ， 还得有水泥等各种粘合剂才能把房间堆得牢固结实 。 费米子之间得有一种相互作用力 ， 让它们结合在一起 。 ”吴雨生告诉采访人员 ， 物理学家们通过无数次的实验发现 ， 宇宙间万物之间的相互作用是四种基本作用力：引力、电磁力、强作用力和弱作用力 。 “标准模型描述的相互作用包括：电磁相互作用 ， 如最常见的与电和磁相关的日常生活现象；弱相互作用 ， 如核物理中的许多衰变现象；强相互作用 ， 例如夸克组合成质子、中子等 。 ”吴雨生说 。
“标准模型是对微观世界的描述 ， 这些极小尺度上的粒子的存在规律和相互作用现象 ， 一步一步累加连接 ， 最终构成了宏观物质世界乃至整个宇宙 。 ”吴雨生说 。
“科学家希望标准模型是一个完备自洽的理论 ， 可以描述所有的物理现象 ， 是一个‘一切事物现象之源头理论’ 。 ”吴雨生说 ， 标准模型理论从上世纪60年代诞生至今 ， 理论家与实验家互相合作 ， 不断完善理论模型 ， 并不断通过实验全方位验证理论预言 ， 发现新现象来推进理论的发展 。
基本粒子的“元素周期表”
2012年7月4日 ， 欧洲核子研究中心的主报告厅里举行了一场特别的报告会 。 这场报告会上 ， 在欧洲大型强子对撞机LHC上运行的两个实验的研究者 ， 分别宣布了最新研究结果：他们同时发现了希格斯玻色子 。
半个多世纪以前预言了希格斯玻色子的彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒也被邀请到了这场报告会的现场 。 在公布最终结果的时候 ， 科学家激动地向上挥拳 ， 听众们也不断欢呼 。
为什么这个发现如此令人激动？因为希格斯玻色子被认为是粒子物理学的标准模型框架下 ， 最基本粒子中的最后一种 ， 所以也被人称作“标准模型的最后一块拼图” 。
希格斯玻色子的发现 ， 起源于一个问题 ， 即玻色子中有些粒子有质量 ， 有些没有 ， 如w、z玻色子有质量 ， 而光子却没有质量 。 这些有质量粒子的质量又是如何来的？于是物理学家们假设 ， 冥冥之中应该有一个“场” ， 是这个场赋予了这些粒子质量 。
随着被发现的粒子越来越多 ， 粒子之间的关系也愈发复杂 。 正如门捷列夫建立元素周期表 ， 人们隐约觉得 ， 如此繁多的粒子背后 ， 也应该有一个相似的“粒子周期表” 。 在这个思想指导下 ， 标准模型就像是粒子物理学家的圣经 ， 指导着人们对微观世界的研究 。 而此次欧洲核子中心的大型强子对撞机LHC发现的被戏称为“上帝粒子”的希格斯玻色子 ， 完全是标准模型预言的粒子 。 这一战 ， 标准模型大获全胜 。
“如果我们把费米子和规范玻色子比喻成一个个棋子 ， 那希格斯玻色子就是它们的棋盘 。 没有棋盘 ， 棋怎么下呀？”吴雨生告诉采访人员 ， 自2012年欧洲核子中心大型强子对撞机发现希格斯玻色子后 ， 标准模型预言的最后一个未观测到的基本粒子也已在实验中找到 ， 标志着其完备理论模型的确立 。
“完美”中的“不完美”
吴雨生告诉采访人员 ， 标准模型从基本粒子种类、相互作用数学描述上来看是十分简洁的 。 但是 ， 简洁数学形式演算预言实验反应结果 ， 则往往极为复杂 。 例如在理论上 ， 计算最简单的一些物理现象发生的几率 ， 往往需要计算成千上万个公式 ， 利用高性能计算机也可能得积年累月 。 “而从实验上来研究这些极微观物质世界中的现象 ， 往往需要举全国乃至全球科技之力 ， 历经数载甚至数十载 ， 集中许多科学家的智慧与精力才能实现 。 ”吴雨生说 。
那么 ， 堪称“完美”的标准模型 ， 真正完美了吗？答案当然是否定的 。 随着时间推移 ， 人们慢慢地发现 ， 标准模型似乎也不是那么“标准” 。 如标准模型“规定” ， 基本粒子之一的中微子不能有质量 ， 要以光速在宇宙中穿梭 ， 然而实验测量发现 ， 中微子耍了一点小滑头 ， 它以非常接近光速的速度运动 ， 而且有非常小的质量 。 这种违背标准模型的结果让人们很不爽 。
“标准模型虽然已经极为成功 ， 但仍远远称不上能‘描述一切的理论’ ， 还有一个个神秘的物理现象无法解释 。 例如 ， 你会发现 ， 标准模型当中并不包含引力 。 ”吴雨生告诉采访人员 ， 目前标准模型尚不能解释的问题大致有以下几个方面：对于宇宙学观测到的暗物质是否有粒子属性 ， 标准模型并未给出相关预言；对于宇宙中正物质明显多于反物质 ， 标准模型无法解释；标准模型并不包含引力作用 ， 目前是用广义相对论来描述引力相互作用的；基本粒子不同“代”之间为何质量差别如此之大？为何中微子的质量几近为零……
“正是这些未解之谜激励着物理学家继续在理论与实验上去探索超出标准模型的新理论、新现象 ， 进而促使物理学家发现新的物理学 。 ”吴雨生说 。

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