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你知道“宇稱對稱性”嗎?

2019-06-26 09:49:51  來源:新浪科技

北京時間6月25日消息,據國外媒體報道,粒子物理學研究迫切需要升級,而物理學家手頭正好有這樣一個問題:一些粒子和力在鏡像中可能變得很不一樣,這一問題本身就使所謂的標準模型陷入混亂。

當宇宙中的亞原子粒子轉化為鏡像時,它們之間幾乎所有的基本反應看起來都是一樣的,這種鏡像被稱為宇稱,被認為是對稱的,或者按物理學的說法,具有宇稱對稱性。

然而,并不是所有粒子都遵循這一規則,例如,我們知道,涉及弱核力(弱相互作用)——本身因為諸多原因而顯得十分奇異——的反應就違反了宇稱對稱性,因此,可以合乎情理地推測,量子世界中的其他力和粒子也可能破壞這種對稱性。

物理學家對這些理論上會違反宇稱對稱性的反應很感興趣,因為它們可能會為我們指明新的物理學方向,幫助我們超越粒子物理的標準模型。在粒子物理學中,標準模型是對所有亞原子事物的總結,是描述強核力(強相互作用)、弱核力和電磁力這三種基本相互作用及組成所有物質基本粒子的理論。到目前為止,幾乎所有對這三種力的實驗結果都符合標準模型的預測。

不幸的是,我們似乎永遠不會在粒子加速器和實驗室中看到奇怪的宇稱違背反應,這種相互作用非常罕見,而且很微弱,目前的儀器還無法探測到。

不過,也有一些罕見的例外。

位于日內瓦附近的大型強子對撞機(LHC)是世界上最大的粒子加速器,那里的研究人員一直在尋找這些罕見的相互作用,到目前為止,研究人員還沒有獲得實質性的進展,但即使這樣的結果也能帶來啟發。否定的結果有助于剔除毫無結果的假設,讓物理學家能夠專注于尋找更有希望的新物理方法。

對稱性是物理學中最重要的概念之一。

你甚至可以說,物理學家的工作就是在尋找對稱性,對稱性揭示了支配現實最內在運作的自然基本法則,這可是個大問題。

那么,什么是對稱性呢?對稱性意味著,如果你改變某個過程或相互作用中的一個元素,這個過程保持不變,則在物理學上關于這一改變的過程是對稱的。這里可能有點模糊,因為有許多不同的對稱性,例如,有時可以改變粒子電荷的符號,有時可以觀察過程在時間上向前或向后,有時還可以運行某個過程的鏡像版本。

最后一個,在鏡像中觀察某個過程,即稱為宇稱對稱性。物理學中,大多數亞原子間的相互作用,無論發生在你面前還是在鏡像中,都會得到完全相同的結果,但是,有些相互作用違反了這種對稱性,比如弱核力,尤其是涉及到產生中微子的弱核力過程。

中微子總是“向后”自旋(換句話說,它們的自旋點的軸總是遠離運動方向),而反中微子則是“向前”旋轉(它們的自旋點的軸在它們飛行時一直向前),這意味著在常規實驗中產生的中微子和反中微子的數量,與依賴弱核力的鏡像翻轉實驗相比,存在著非常細微的差異。

破碎的鏡子

據我們所知,弱核力和弱核力本身違反了宇稱對稱性。不過,這或許并不是個例,我們知道,肯定存在著超出目前認知的物理學,一些理論觀點和概念也違反了宇稱對稱性,例如,有一些理論預測,在LHC通常檢測的粒子種類的“正常的”相互作用中,存在著微妙的不對稱。

當然,這些理論觀點既奇異又復雜,而且很難驗證,在很多情況下,物理學家并不確定要尋找什么。

問題是,盡管我們知道目前粒子世界的標準模型是不完整的,但我們不知道到哪里去尋找新的模型。許多物理學家希望大型強子對撞機能揭示出一些東西——某種新的粒子、新的相互作用等等;只要能讓我們找到一些新的、令人興奮的東西就行,但是,到目前為止,所有這些探索都失敗了。

在標準模型之外,許多先前頗受關注的理論(如超對稱理論)正逐漸被排除,而這正是違反宇稱對稱性可能派上用場的地方。幾乎所有標準模型常見假設的延伸都包括一個限制條件,即只有弱核力違反了宇稱對稱性。這已經融入到標準模型的基礎數學中,這也意味著,像超對稱性、軸子和輕夸克這樣的概念都是在“原地”保留著這種對稱性的破壞,而沒有涉及到其他過程。

然而,如果這些常見的延伸沒有成功,那么也許是時候拓寬我們的視野了。

為此,一組研究人員在大型強子對撞機的緊湊μ子線圈(CMS)實驗釋放的數據緩存中尋找宇稱違背的跡象,這是一次相當棘手的尋找過程,因為這并不是建造大型強子對撞機的真正目的,但研究人員聰明地找到了一種方法,通過檢測其他粒子之間相互作用的遺留物來達到目的。

研究的結果是:沒有發現違反宇稱對稱性的跡象。標準模型再次經受住了考驗。

雖然這項研究沒有開辟物理學的新領域,有點令人失望,但也將有助于未來的搜索變得更加清晰。如果我們繼續搜尋,但仍然沒有發現弱核力以外違反宇稱對稱性的證據,那么可以推測,在標準模型之外可能存在一些與主流理論相同的數學結構,只允許弱核力出現不同的鏡像。(任天)

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