視覺中國供圖

粒子物理標準模型圖 受訪者供圖

　　編者按?我們的世界由一系列粒子組成。多年來，科學(xué)家從未停止過對粒子及它們之前相互作用的探索，取得的成果也在不斷地革新我們對世界的認知。4月初，美國費米國家加速器實驗室公布的一項新的研究成果在國際物理學(xué)界掀起軒然大波，也再度引發(fā)了人們對于粒子物理學(xué)的關(guān)注與好奇。

　　基于此，本報推出粒子物理系列報道，關(guān)注粒子物理的基本原理與發(fā)展。

　　標準模型是對微觀世界的描述，這些極小尺度上的粒子的存在規(guī)律和相互作用現(xiàn)象，一步一步累加連接，最終構(gòu)成了宏觀物質(zhì)世界乃至整個宇宙。

　　——吳雨生?中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系博士生導(dǎo)師、特任教授

粒子物理系列報道①

◎本報記者?吳長鋒

　　3月23日，歐洲核子研究中心（CERN）LHCb實驗的英國物理學(xué)家宣布，由LHCb（大型強子對撞機）合作進行的實驗，可能發(fā)現(xiàn)了與標準模型矛盾的現(xiàn)象。但目前這些實驗數(shù)據(jù)的可信度還不足以宣稱“可靠的發(fā)現(xiàn)”。

　　無獨有偶，4月7日，美國費米國家加速器實驗室召開網(wǎng)絡(luò)視頻發(fā)布會，公布了繆子g-2實驗組對于繆子反常磁矩的首個測量結(jié)果：現(xiàn)有結(jié)果與粒子物理標準模型預(yù)言之間存在4.2倍標準差的偏離。一石激起千層浪，這個結(jié)果不僅吸引了全球粒子物理學(xué)家的關(guān)注，也引來了媒體的目光。兩周時間內(nèi)，超出標準模型的新物理再次成為熱點話題。那么，這個所謂的“標準模型”到底是什么呢？

　　宇宙物質(zhì)構(gòu)成的“磚塊”

　　“簡單來說，標準模型是描述微觀世界物質(zhì)組成與相互作用的理論框架?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系博士生導(dǎo)師、特任教授吳雨生告訴科技日報記者，標準模型理論框架是基于量子場論的，主要理論觀點源自時間—空間的基本對稱性，并包含基本物質(zhì)粒子、傳播相互作用的傳播子以及給基本粒子帶來質(zhì)量的粒子。

　　物質(zhì)由原子組成，原子則由原子核及繞核運動的電子組成。原子核內(nèi)包含質(zhì)子和中子，這些原子核內(nèi)質(zhì)子和中子不同的數(shù)目決定了不同原子不同的物理性質(zhì)。

　　但質(zhì)子、中子還能不能再分？電子還能不能再分？要解決這些問題，科學(xué)家采取的辦法就是：撞它！撞它！1968年，斯坦福直線加速器中心的實驗者們利用強大的技術(shù)力量探索了物質(zhì)的微觀層次，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子分別由三個夸克組成。

　　通過用更快更強的對撞機去撞擊物質(zhì)碎片，物理學(xué)家不斷得出新的粒子。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的組成物質(zhì)的基本粒子有6種夸克：上夸克、下夸克、粲夸克、奇異夸克、頂夸克、底夸克；6種輕子：電子、電子中微子、μ子、μ中微子、τ子、τ中微子。

　　這6種夸克和6種輕子是物質(zhì)組成的基礎(chǔ)單元，目前它們不能再分割，也不能相容和疊加，而只能像樂高積木一樣堆積成各種各樣的物質(zhì)。這6種夸克和6種輕子都是基本費米子。

　　有了費米子，就可以組成物質(zhì)了嗎？“還是不可以。就像建房子一樣，有了磚塊、瓦塊還是不能堆成房子，還得有水泥等各種粘合劑才能把房間堆得牢固結(jié)實。費米子之間得有一種相互作用力，讓它們結(jié)合在一起。”吳雨生告訴記者，物理學(xué)家們通過無數(shù)次的實驗發(fā)現(xiàn)，宇宙間萬物之間的相互作用是四種基本作用力：引力、電磁力、強作用力和弱作用力?！皹藴誓Ｐ兔枋龅南嗷プ饔冒ǎ弘姶畔嗷プ饔茫缱畛Ｒ姷呐c電和磁相關(guān)的日常生活現(xiàn)象；弱相互作用，如核物理中的許多衰變現(xiàn)象；強相互作用，例如夸克組合成質(zhì)子、中子等。”吳雨生說。

　　“標準模型是對微觀世界的描述，這些極小尺度上的粒子的存在規(guī)律和相互作用現(xiàn)象，一步一步累加連接，最終構(gòu)成了宏觀物質(zhì)世界乃至整個宇宙?！眳怯晟f。

　　“科學(xué)家希望標準模型是一個完備自洽的理論，可以描述所有的物理現(xiàn)象，是一個‘一切事物現(xiàn)象之源頭理論’?！眳怯晟f，標準模型理論從上世紀60年代誕生至今，理論家與實驗家互相合作，不斷完善理論模型，并不斷通過實驗全方位驗證理論預(yù)言，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象來推進理論的發(fā)展。

　　基本粒子的“元素周期表”

　　2012年7月4日，歐洲核子研究中心的主報告廳里舉行了一場特別的報告會。這場報告會上，在歐洲大型強子對撞機LHC上運行的兩個實驗的研究者，分別宣布了最新研究結(jié)果：他們同時發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。

　　半個多世紀以前預(yù)言了希格斯玻色子的彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒也被邀請到了這場報告會的現(xiàn)場。在公布最終結(jié)果的時候，科學(xué)家激動地向上揮拳，聽眾們也不斷歡呼。

　　為什么這個發(fā)現(xiàn)如此令人激動？因為希格斯玻色子被認為是粒子物理學(xué)的標準模型框架下，最基本粒子中的最后一種，所以也被人稱作“標準模型的最后一塊拼圖”。

　　希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，起源于一個問題，即玻色子中有些粒子有質(zhì)量，有些沒有，如w、z玻色子有質(zhì)量，而光子卻沒有質(zhì)量。這些有質(zhì)量粒子的質(zhì)量又是如何來的？于是物理學(xué)家們假設(shè)，冥冥之中應(yīng)該有一個“場”，是這個場賦予了這些粒子質(zhì)量。

　　隨著被發(fā)現(xiàn)的粒子越來越多，粒子之間的關(guān)系也愈發(fā)復(fù)雜。正如門捷列夫建立元素周期表，人們隱約覺得，如此繁多的粒子背后，也應(yīng)該有一個相似的“粒子周期表”。在這個思想指導(dǎo)下，標準模型就像是粒子物理學(xué)家的圣經(jīng)，指導(dǎo)著人們對微觀世界的研究。而此次歐洲核子中心的大型強子對撞機LHC發(fā)現(xiàn)的被戲稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子，完全是標準模型預(yù)言的粒子。這一戰(zhàn)，標準模型大獲全勝。

　　“如果我們把費米子和規(guī)范玻色子比喻成一個個棋子，那希格斯玻色子就是它們的棋盤。沒有棋盤，棋怎么下呀？”吳雨生告訴記者，自2012年歐洲核子中心大型強子對撞機發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子后，標準模型預(yù)言的最后一個未觀測到的基本粒子也已在實驗中找到，標志著其完備理論模型的確立。

　　“完美”中的“不完美”

　　吳雨生告訴記者，標準模型從基本粒子種類、相互作用數(shù)學(xué)描述上來看是十分簡潔的。但是，簡潔數(shù)學(xué)形式演算預(yù)言實驗反應(yīng)結(jié)果，則往往極為復(fù)雜。例如在理論上，計算最簡單的一些物理現(xiàn)象發(fā)生的幾率，往往需要計算成千上萬個公式，利用高性能計算機也可能得積年累月。“而從實驗上來研究這些極微觀物質(zhì)世界中的現(xiàn)象，往往需要舉全國乃至全球科技之力，歷經(jīng)數(shù)載甚至數(shù)十載，集中許多科學(xué)家的智慧與精力才能實現(xiàn)?！眳怯晟f。

　　那么，堪稱“完美”的標準模型，真正完美了嗎？答案當然是否定的。隨著時間推移，人們慢慢地發(fā)現(xiàn)，標準模型似乎也不是那么“標準”。如標準模型“規(guī)定”，基本粒子之一的中微子不能有質(zhì)量，要以光速在宇宙中穿梭，然而實驗測量發(fā)現(xiàn)，中微子耍了一點小滑頭，它以非常接近光速的速度運動，而且有非常小的質(zhì)量。這種違背標準模型的結(jié)果讓人們很不爽。

　　“標準模型雖然已經(jīng)極為成功，但仍遠遠稱不上能‘描述一切的理論’，還有一個個神秘的物理現(xiàn)象無法解釋。例如，你會發(fā)現(xiàn)，標準模型當中并不包含引力?！眳怯晟嬖V記者，目前標準模型尚不能解釋的問題大致有以下幾個方面：對于宇宙學(xué)觀測到的暗物質(zhì)是否有粒子屬性，標準模型并未給出相關(guān)預(yù)言；對于宇宙中正物質(zhì)明顯多于反物質(zhì)，標準模型無法解釋；標準模型并不包含引力作用，目前是用廣義相對論來描述引力相互作用的；基本粒子不同“代”之間為何質(zhì)量差別如此之大？為何中微子的質(zhì)量幾近為零……

　　“正是這些未解之謎激勵著物理學(xué)家繼續(xù)在理論與實驗上去探索超出標準模型的新理論、新現(xiàn)象，進而促使物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)新的物理學(xué)?！眳怯晟f。


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