基本粒子和力的標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)接近我們所能想象的最完整的模型。每一種基本粒子都可以在實(shí)驗(yàn)室中生成，并通過(guò)測(cè)量確定其特性。頑固分子——頂夸克和反夸克，微中子和反中微子，最后是希格斯玻色子，科學(xué)家逐漸一步步完成了對(duì)它們的測(cè)量。

特別是最后一個(gè)——希格斯粒子——它已經(jīng)困擾了科學(xué)家很久:最后，我們可以自信地解釋這些基本粒子的性質(zhì)!

圖片來(lái)源:E. 西格爾，摘自他的新書《銀河系之外》。

這很好，但即使我們已經(jīng)解答出了這部分的謎題，也并不意味著科學(xué)的終結(jié)。相反，還有一些重要的后續(xù)問(wèn)題，我們總是可以問(wèn)，接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么？當(dāng)談?wù)撈饦?biāo)準(zhǔn)模型，我們?nèi)匀淮嬗幸苫蟆?duì)于大多數(shù)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，有一點(diǎn)特別突出：為了找到它，我想讓你們考慮一下標(biāo)準(zhǔn)模型的以下性質(zhì)。

圖片來(lái)源:NSF, DOE, LBNL，和當(dāng)代物理教育項(xiàng)目(CPEP)。

一方面，弱作用力、電磁和強(qiáng)作用力的力都是相當(dāng)重要的，它們?nèi)Q于相互作用的能量和距離。

但萬(wàn)有引力呢?并非如此。

如果你曾幸讀過(guò)麗莎·藍(lán)道爾寫的這本精彩的書，她寫了很多關(guān)于這個(gè)難題的東西，我認(rèn)為這是理論物理學(xué)中最大的未解決的問(wèn)題:等級(jí)問(wèn)題。

圖片來(lái)源:維基百科共用用戶Zhitelew，粒子質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子。

我們所能做的是取任意兩個(gè)基本粒子——任意質(zhì)量的粒子和它們相互作用的任何力——然后發(fā)現(xiàn)引力實(shí)際上比宇宙中所有已知的力弱40個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，即使它們不是基本粒子，把兩個(gè)質(zhì)子放在一公尺遠(yuǎn)的地方，它們之間的電磁斥力大約是萬(wàn)有引力的10的40次方倍?；蛘甙阉鼘懗鰜?lái)，我們需要增加萬(wàn)有引力的強(qiáng)度10000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000，從而使它的強(qiáng)度與其他已知的力相等。

我們無(wú)法僅僅“制造”一個(gè)重量是正常情況下10^20倍的質(zhì)子；然而，這就是使兩個(gè)質(zhì)子克服電磁力聚集在一起所需要的力。

圖片來(lái)源:維基媒體共享用戶韋倫。

相反，如果想讓上面的反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，則需要10^56個(gè)質(zhì)子，才能使質(zhì)子克服電磁排斥的現(xiàn)象發(fā)生。只有通過(guò)收集這么多的粒子，在它們共同的重力作用下，才能實(shí)現(xiàn)克服電磁力把這些粒子聚集在一起。事實(shí)證明，10的56次方質(zhì)子大約是一顆成功恒星的最小質(zhì)量。

這是對(duì)我們宇宙運(yùn)行方式的描述，但我們不明白這其中的原理。為什么重力比其他所有的力都弱？為什么“引力電荷”（即質(zhì)量）比電荷或色荷，甚至比弱電荷弱得多？

這就是級(jí)列問(wèn)題，在很多方面的類似問(wèn)題都是物理學(xué)中最大的未解決的問(wèn)題。我們不知道答案，但也不是完全一無(wú)所知。理論上講，我們對(duì)于解決方案有一些好的想法，并且有一個(gè)工具來(lái)幫助我們驗(yàn)證這些可能性是否正確。

圖片來(lái)源：歐洲核子研究所

迄今為止，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是有史以來(lái)開(kāi)發(fā)的能量最高的粒子對(duì)撞機(jī)，它實(shí)現(xiàn)了在地球?qū)嶒?yàn)室條件下產(chǎn)生大能量。它使科學(xué)家能夠收集大量數(shù)據(jù)，精確地重建碰撞點(diǎn)發(fā)生的情況。這包括創(chuàng)造從未見(jiàn)過(guò)的新粒子(如大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)的希格斯介子)、我們熟悉的老標(biāo)準(zhǔn)模型粒子(夸克、輕子和規(guī)范玻色子)。還可能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)模型之外的任何其他粒子。

有四種可行的方法來(lái)解決級(jí)列問(wèn)題。好消息是，如果這些解決方案中的任何一個(gè)是大自然選擇的，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)就可以找到它?。ㄈ绻麤](méi)有，則需要繼續(xù)搜索新的解決辦法）

圖片來(lái)源:CMS合作，“希格斯玻色子雙光子衰變的觀測(cè)及其性質(zhì)的測(cè)量”，(2014)。

除了三年前宣布發(fā)現(xiàn)的單個(gè)希格斯玻色子外，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)沒(méi)有再發(fā)現(xiàn)新的基本粒子。(不僅如此，也沒(méi)有令人信服的新候選粒子出現(xiàn)。)此外，發(fā)現(xiàn)的粒子與標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯粒子完全一致;沒(méi)有顯著的統(tǒng)計(jì)結(jié)果有力地表明，在標(biāo)準(zhǔn)模型之外還觀察到了任何新的模型。對(duì)一個(gè)合成的希格斯粒子來(lái)說(shuō)不是，對(duì)多個(gè)希格斯粒子來(lái)說(shuō)不是，對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)模型式的衰變來(lái)說(shuō)不是，對(duì)任何這類的東西都不是。

但我們開(kāi)始嘗試以更高的能量觀測(cè)，從只有一半的能量到13/14 電壓，試圖找出更多的能量?？紤]到這一點(diǎn)，我們準(zhǔn)備探索的層次結(jié)構(gòu)問(wèn)題有哪些可能的、合理的解決方案

圖片來(lái)源：漢堡的黛西。

1)。超對(duì)稱性，簡(jiǎn)稱SUSY。超對(duì)稱性是一種特殊的對(duì)稱性，它會(huì)導(dǎo)致任何粒子的正常質(zhì)量——這些粒子的質(zhì)量足夠大足夠大，以至于重力的強(qiáng)度與其他力相當(dāng)——被抵消，且能達(dá)到很高的精度。對(duì)稱性還意味著，標(biāo)準(zhǔn)模型中的每個(gè)粒子都有一個(gè)超粒子伙伴，并且(未顯示)有5個(gè)希格斯粒子(為什么會(huì)有5個(gè)希格斯粒子)和5個(gè)希格斯超級(jí)伙伴。如果這種對(duì)稱性存在，那么它一定是被打破了。否則超伴星的質(zhì)量就會(huì)和正常粒子的質(zhì)量完全一樣，我們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn)它們了。

如果SUSY要以適當(dāng)?shù)囊?guī)模存在以解決等級(jí)問(wèn)題，LHC一旦達(dá)到14 TeV的全部能量，我們就應(yīng)該至少找到一個(gè)超級(jí)伴侶，以及至少第二個(gè)希格斯粒子。否則，超級(jí)合作伙伴的存在將會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)令人困惑的等級(jí)問(wèn)題，一個(gè)沒(méi)有好的解決方案的問(wèn)題。(對(duì)于那些想知道的人來(lái)說(shuō)，SUSY粒子在所有能量下的缺失將足以使弦理論失效，因?yàn)槌瑢?duì)稱性是包含粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的弦理論的一個(gè)必要條件。)

這是第一個(gè)可能解決層級(jí)問(wèn)題的方法，目前還沒(méi)有證據(jù)支持它。

圖片來(lái)源:J.R. 安徒生等人(2011)，關(guān)于LHC發(fā)現(xiàn)彩色顆粒的第一份黑色報(bào)告。

2.）技彩力，Technicolor。這不是20世紀(jì)50年代的卡通;技彩力是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，指那些需要新的規(guī)范相互作用的物理學(xué)理論，以及那些既沒(méi)有希格斯粒子，也沒(méi)有不穩(wěn)定/不可觀測(cè)(即不存在希格斯粒子)希格斯粒子的理論。如果技彩力是正確的，它還需要大量有趣的可觀測(cè)粒子。雖然這在原則上可能是一個(gè)合理的解決方案，但這一發(fā)現(xiàn)的希格斯介子在合適的能量下似乎是一個(gè)基本的、自旋為0的標(biāo)量，似乎使這個(gè)層次結(jié)構(gòu)問(wèn)題的可能解決方案無(wú)效。唯一的解決辦法是，如果希格斯玻色子被證明不是一個(gè)基本粒子，而是一個(gè)由其他更基本的粒子組成的復(fù)合粒子。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)即將以13/14 TeV的增強(qiáng)型能量進(jìn)行全面運(yùn)行，這應(yīng)該足以讓我們一探究竟。

還有另外兩種可能性，其中一種更有希望，這兩種都涉及到額外維度。

圖片來(lái)源:Flip Tanedo。

3.）扭曲的額外維度。這個(gè)理論由前面提到的麗莎·藍(lán)道爾和拉曼·桑卓姆提出，他們認(rèn)為與在三維宇宙不同，在另一個(gè)維度引力和其他力一樣強(qiáng)大。在一個(gè)與三維宇宙不同的維度中，它與我們自己的宇宙在第四維度的距離只有10^(31)米。(或者，如上圖所示，在第五維度中，一旦包含了時(shí)間。)這很有趣，因?yàn)樗欠€(wěn)定的且可以提供一個(gè)比較合理的解釋，解釋為什么我們的宇宙在一開(kāi)始膨脹得如此之快(扭曲的時(shí)空可以做到這一點(diǎn))，所以它比較令人信服。

它還應(yīng)該包括一組額外的粒子;不是超對(duì)稱粒子，而是卡魯扎-克萊因粒子，這是額外維度導(dǎo)致的直接結(jié)果。值得注意的是，一項(xiàng)太空實(shí)驗(yàn)顯示，可能存在一個(gè)能量約為600 GeV的卡魯扎-克萊因粒子，相當(dāng)于希格斯粒子質(zhì)量的5倍。盡管我們目前的對(duì)撞機(jī)還無(wú)法探測(cè)到這些能量，但新的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)應(yīng)該能夠創(chuàng)造出足夠多的能量來(lái)探測(cè)它們的存在。

圖片來(lái)源:J. Chang等人(2008)，《自然》，來(lái)自高級(jí)薄電離量熱計(jì)(ATIC)。

然而，這個(gè)新粒子也不是一定就會(huì)存在，因?yàn)檫@個(gè)信號(hào)只有在預(yù)期背景下才能觀察到。盡管如此，在LHC最終達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，我們?nèi)杂斜匾涀∵@一點(diǎn);幾乎任何質(zhì)量低于1000 GeV的新粒子都應(yīng)該在這臺(tái)機(jī)器的范圍內(nèi)。

未完待續(xù).....

圖片來(lái)源:卡洛琳·克萊德(2004)，摘自她在大學(xué)間高能研究所的一次演講。

4.）大的額外維度。維度不僅可以發(fā)生扭曲，也有可能發(fā)生擴(kuò)大，大的超過(guò)扭曲，在規(guī)模上是10^(31)米。這個(gè)巨大的額外維度大約是毫米大小，這意味著新的粒子將開(kāi)始在LHC能夠探測(cè)的范圍內(nèi)出現(xiàn)。同樣，會(huì)有新的卡魯扎-克萊因粒子，這也可能是解決等級(jí)問(wèn)題的一個(gè)辦法。

但是這個(gè)模型的會(huì)導(dǎo)致的額外結(jié)果是，重力會(huì)在1毫米以下的距離從根本上偏離牛頓定律，這是很難測(cè)試的。然而，現(xiàn)代的實(shí)驗(yàn)設(shè)備已足以應(yīng)付這種挑戰(zhàn)。

圖片來(lái)源:cnrs.fr低溫氦湍流和流體動(dòng)力學(xué)活動(dòng)。

微小的、過(guò)冷的懸臂梁上裝載著壓電晶體(當(dāng)它們的形狀改變/被扭曲時(shí)釋放電能的晶體)，只有幾微米的間隔就才可以制造出來(lái)它們，如上圖所示。這項(xiàng)新技術(shù)允許我們?cè)O(shè)置限制，如果有“大的”額外維度，它們將小于5-10微米。換句話說(shuō)，正如廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的那樣，精確到比一毫米小得多的尺度下重力才是正確的。所以如果有更大的額外維度，它們的能量是LHC無(wú)法達(dá)到的，也就是說(shuō)它們不能解決等級(jí)問(wèn)題。

當(dāng)然，也可能存在一個(gè)完全不同的層次結(jié)構(gòu)問(wèn)題的解決方案，一個(gè)不會(huì)出現(xiàn)在我們目前的碰撞機(jī)中，或者可能根本沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)的解決方案;這可能只是自然的方式，可能沒(méi)有任何解釋。但是，如果我們不去嘗試，科學(xué)就永遠(yuǎn)不會(huì)進(jìn)步。這就是探索的意義:推動(dòng)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)向前發(fā)展。和往常一樣，由于大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的運(yùn)行II已經(jīng)開(kāi)始，我迫不及待地想看看除了已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子之外，還會(huì)發(fā)現(xiàn)什么。

作者: startswithabang

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