本文,高能

本文来自微信公众号:新原理研究所,作者:二宗主,校对:竹琴,图片设计:岳岳,题图来自:《钢铁侠2》一空间、时间、物质……在最初的时刻,宇宙处于难以想象的高温和高能状态。夸克和轻子,也被称为基本粒子,意味着不可再分割。……二研究基本粒子以及它们是如何在最小和最大的尺度下运作的学科被称为高能物理学或粒子物理学。随着技术的进步,加速粒子的能量越来越高,能够探索的尺度也越来越小。

本文来自微信公众号:新原理研究所(ID:newprincipia),作者:二宗主,校对:竹琴(中科院高能所),图片设计:岳岳,题图来自:《钢铁侠2》

本文,高能

空间、时间、物质……

宇宙万物起源于138亿年前的大爆炸,宇宙诞生之后,几乎是在刹那之间,空间中的能量就会转换成构筑万物的最基本单元——夸克和轻子。当然,此时的宇宙也充满了辐射。

本文,高能

在最初的时刻,宇宙处于难以想象的高温和高能状态。但随着宇宙的膨胀和冷却,夸克和轻子最终会结合成越来越复杂的结构。

原子核、原子、分子恒星、行星、星系、星系团,逐渐登上空间舞台……

本文,高能

大约45亿年前,我们脚下的星球在混乱中诞生了。又过了几亿年,生命悄然地在地球上孕育。在30几亿年的演化进程中,生命从最初的单细胞逐渐演化出了今天数以万亿计的物种,其中包括人类。

本文,高能

人类在统治这个星球后,开始发明、创造,甚至思考宇宙的本源。

2000多年前,古希腊先哲开始思考构成万物的最基础单元究竟是什么?是水、气、土、火?是以太?还是原子?

直到上个世纪,物理学家在发明了“超级放大镜”后才揭开了关于物质的层层迷雾。

原来,我们所熟悉的细胞、高山、彗星,这些看似完全不同的物体,实际上都由夸克和轻子组成。

本文,高能

夸克和轻子,也被称为基本粒子,意味着不可再分割。

是什么力将夸克结合在一起?什么是轻子?基本粒子之间是如何相互作用的?存在比已知基本粒子更基本的粒子吗?……

本文,高能

研究基本粒子以及它们是如何在最小和最大的尺度下运作的学科被称为高能物理学或粒子物理学。高能物理学的研究对象“小”且“高能”,前者意味着量子力学非常重要,后者意味着狭义相对论非常重要。

1900年,普朗克为了解释黑体辐射的问题,大胆假设:能量并非连续的,而是只能以一份一份的“量子”形式被吸收或发射,从而敲响了量子世界的大门。

根据量子力学,粒子的行为并不总是像粒子,有时也像波、电子或其他物质粒子的波长,由德布罗意公式给出:

本文,高能

举个例子,一个以10⁶m/s运动的电子,其德波罗意波长约为10⁻¹⁰米,这大约是一个原子的大小。

1905年,爱因斯坦提出了重写时空观的狭义相对论。

本文,高能

爱因斯坦最著名的质能关系也源自于狭义相对论。

本文,高能

20世纪20年代末,狄拉克在描述高速运动的电子的行为时将狭义相对论和量子力学结合,写下了相对论性的波动方程——狄拉克方程。该方程预言了反物质的存在,比如夸克和电子都有其反物质版本,它们质量相同但电荷相反。

本文,高能

量子场论是与狭义相对论相容的量子理论框架。

本文,高能

在量子场论中,每种粒子都有与其对应的场,如电子场、胶子场、希格斯场等。这些场弥漫在宇宙中激发特定的场就会产生相应的粒子,例如激发电磁场就会产生光子。

本文,高能

当粒子间的相互作用较弱时,量子场论可以通过费曼图来简化计算。简单的线条、波浪线和顶点“几乎革新了理论物理学的方方面面”,但当粒子间的相互作用很强时就需要发展新的工具和技术。这对理解夸克被禁闭在质子中等现象非常必要。

本文,高能

描述光和物质之间相互作用的量子场论,被称为量子电动力学;描述夸克和胶子之间相互作用的理论,则被称为量子色动力学。

量子场论是现代物理学的基石之一,无论是研究电子在固体中如何相互配合,还是探索黑洞附近的弯曲时空,都需要应用量子场论。

上个世纪70年代,物理学家基于量子场论建立了粒子物理学的标准模型。如果用一张图表总结标准模型,看起来会非常简洁:

本文,高能

但需要记住的是,简洁的背后实际上是大量复杂的数学,比如描述物质如何参与弱相互作用和电磁相互作用的拉格朗日量看起来是这样的:

本文,高能

本文,高能

标准模型的那张图表中,显示了已知的所有基本粒子,这些粒子可以分为两大类:费米子和玻色子

本文,高能

夸克和轻子都属于费米子,夸克有六种“味”,就好比冰淇淋有不同的口味一样。夸克有上、下、奇、粲、底和顶,除了拥有电荷的性质,夸克还拥有色荷:红、绿、蓝,这当然与生活中的颜色无关,而是它们的一种量子性质。

1964年,盖尔曼和茨威格写下了“食谱”,混合搭配三种不同“颜色”的夸克可以构成无色的重子(比如质子),夸克和反夸克则可以结合成介子。理论上,夸克和反夸克还可以组成四夸克态,甚至是五夸克态。近年来的实验似乎已经验证了这一点。

本文,高能

同样地,轻子也有六种味,电子是我们最熟悉的轻子。此外还有与电子性质完全一样,但质量更大的μ子和τ子。电子、μ子和τ子都有对应的中微子。

中微子非常神秘,它们几乎不与物质相互作用,因此很难捕捉到它们。太阳、超新星、地球上的粒子衰变都是中微子的制造厂。中微子在传播过程中还会相互转变身份。这一神奇的特性意味着它们是有质量的。但标准模型曾告诉我们它们跟光子一样没有质量。

所以研究中微子或许会带领我们找到超越标准模型的新物理。

本文,高能

中微子的质量从何而来?物理学家还不是很清楚。但其他粒子的质量与弥漫在宇宙中的希格斯场息息相关。

20世纪60年代,物理学家发现粒子与希格斯场作用的强度决定了它们质量的大小。夸克和W、Z玻色子都是通过与希格斯场作用而获得的。而与希格斯场相关的粒子正是希格斯玻色子。

除了希格斯玻色子外,标准模型中还有一类玻色子叫“规范玻色子”,它们是载力粒子。物质之间的“交流”就是由规范玻色子传递的。电子和质子彼此间感受到的电磁力是由光子传递的。夸克之所以能够结合在一起,是因为传递强核力的胶子将它们紧紧地束缚住。而支配粒子发生衰变的弱相互作用则是由W和Z玻色子传递的。

本文,高能

电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用在不同的尺度下支配着万物的运作。

1967年,温伯格发表了一篇标志性的论文——《轻子模型》。这是标准模型的核心之一,在只有两页半纸的论文中,温伯格统一了电磁相互作用和弱相互作用。

他的理论表明这两种力只是“电弱相互作用”的不同方面,就好比电磁相互作用是电和磁的两面。

本文,高能

本文,高能

基本粒子非常之小,无论物理学家如何眯着眼睛,都无法用显微镜看到夸克。

那物理学家究竟是如何“看”到它们的?答案是粒子加速器!

肉眼之所以能看到物体是因为可见光在物体表面反射。但显然肉眼无法看到粒子,这是因为粒子的波长远小于可见光的波长。粒子的波长与能量成反比,这意味着要研究放大10亿倍的细节,就需要将粒子的能量提高10亿倍。这是加速器用于研究亚原子世界的基本原理。

上个世纪30年代,物理学家所触及到的能量约为100keV,eV是能量单位,1eV = 1.602176634×10⁻¹⁹J。

随着技术的进步,加速粒子的能量越来越高,能够探索的尺度也越来越小。物理学家想要建造更大的加速器就是为了在更高的能量探索粒子世界,希望能够有全新的发现。

本文,高能

加速器有许多不同的类型,比如同步加速器、回旋加速器、直线加速器。目前世界上最大的加速器是大型强子对撞机,位于法国和瑞士的边界。在大型强子对撞机中,两束质子会不断的加速,在被探测器包围的地方进行对撞。

本文,高能

爱因斯坦的质能等价告诉我们,能量越高,就越有可能创造出不稳定的大质量粒子。

本文,高能

探测器的不同部件会追踪不同的粒子。在标准模型建立之后,加速器的高速发展陆续发现了预言的粒子,比如电弱理论预言的W和Z粒子。

到了2012年,标准模型的最后一个未被发现的粒子——希格斯玻色子,终于在大型强子对撞机中被找到。

本文,高能

但这是否意味着粒子物理学已经走到尽头?剩下的工作就是对理论的修修补补?

答案是否定的!

希格斯玻色子的发现既是结束,也是新的开始。虽然标准模型经历所有最严格的检验,但仍然有许多问题是它无法回答的。

本文,高能

例如,遍布宇宙中的暗物质是什么?推动宇宙加速膨胀的暗能量又是什么?为什么引力比其他三种基本力要弱?为什么宇宙主要是由物质构成的?空间真的只有三个维度吗?……

为了解决这些问题,理论学家已经提出了各种不同的模型,也预言了许多新的粒子。

物理学家曾经对超对称理论寄予厚望。该理论假设,所有的费米子都有一个玻色子的超对称伙伴,所有的玻色子也都有费米子的超对称伙伴。如果能找到超对称粒子,暗物质的问题似乎就迎刃而解。

本文,高能

更令人惊喜的是,当考虑到超对称的时候,电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用能够在更高的能量下统一成“大统一力”。

本文,高能

一些粒子物理学家曾预期,在大约100GeV和1TeV能量区间能够找到最轻的超对称粒子。但事与愿违,大型强子对撞机至今没有发现任何超对称粒子的踪迹。

尽管实验学家没有获得根本性的突破,但却不能停止理论学家的步伐。物理学家的终极目标是找到一个“万有理论”,将四种基本力统一到一个框架中。换句话说,物理学家希望找到一个能够统一量子场论和广义相对论的理论。弦论是迄今为止最有潜力的万有理论。它假设已知所有的基本力都是由振动的弦组成。2020年度的狄拉克奖授予了三位弦论物理学家。

但弦论面临着一些严峻的问题,比如无法被实验直接验证。

本文,高能

几十年过去了,物理学还未迎来革命性的新突破。新物理是否隐藏在下一代更大、更强、更高能的对撞机中,这是许多高能物理学家努力奋斗的方向。

参考来源:

https://www.asc.ohio-state.edu/mathur.16/quantummechanics27-11-17/qm1.2/qm1.2.html

https://www.nature.com/news/polopoly_fs/1.17081!/menu/main/topColumns/topLeftColumn/pdf/519142a.pdf

http://cms.web.cern.ch/content/size-things

https://phy.duke.edu/research/research-areas/high-energy-physics

https://www.physics.upenn.edu/research/high-energy-physics

https://neutrinos.fnal.gov/whats-a-neutrino/

http://www.thomasgmccarthy.com/an-introduction-to-collider-physics-i

https://www.symmetrymagazine.org/article/october-2013/why-particle-physics-matters

图片素材来源:CERN/Wikimedia Commons/Quanta Magazine/Thomas Gutierrez

本文来自微信公众号:新原理研究所(ID:newprincipia),作者:二宗主,校对:竹琴(中科院高能所),图片设计:岳岳

本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均来源于网络,不代表本站观点。如发现有害或侵权内容与我们联系。