暗物質(zhì)是什么？引力又是什么？為什么宇宙如此均勻？每一個(gè)難題都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)新的粒子。
在20世紀(jì)30年代后期，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Isidor Rabi獲悉存在一種較重版本的電子時(shí)，他問道：“這是誰下的訂單？”。四分之三個(gè)世紀(jì)以來，同樣的問題他可以問很多次。我們現(xiàn)在知道，Rabi的不速之客，μ輕子，是類電子粒子家族的三個(gè)成員之一，而成員間的區(qū)別僅在于質(zhì)量的不同。
事情還沒有結(jié)束。物質(zhì)及其相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型依賴于一整套粒子，其中有的為人們熟悉，有的則較為陌生。瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），正在準(zhǔn)備第三期的質(zhì)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)。LHC正在尋找標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯玻色子（質(zhì)量的賦予者）存在的證據(jù)。
除此之外，還有很多有待發(fā)現(xiàn)的粒子。標(biāo)準(zhǔn)模型留下了許多懸而未決的問題。為什么在我們的宇宙中，物質(zhì)的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過反物質(zhì)？引力的本質(zhì)是什么？把星系拉在一起的“暗物質(zhì)”是什么？為了回答這樣的問題，物理學(xué)家一次又一次采用相同的權(quán)宜之計(jì)：發(fā)明一種新的粒子。
弦球（Stringball）
弦理論是一種流行的理論嘗試，它要將兩個(gè)不同尺度（由標(biāo)準(zhǔn)模型支配著的粒子微小世界，和引力作用下的宇宙尺度）結(jié)合在一起。它認(rèn)為，像電子和夸克這樣的粒子其實(shí)是弦的不同振動(dòng)模式，而這些弦只有10^-35米長(zhǎng)。
如果這個(gè)預(yù)言是正確的，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中就可能發(fā)生一些有趣的事情。其中一個(gè)臭名昭著的可能產(chǎn)物是微型黑洞。而另一個(gè)則是弦球（Stringballs）。弦球指的是兩根弦猛烈相撞時(shí)沒有結(jié)合成一根更長(zhǎng)的弦，而是形成一個(gè)纏繞的球。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能量足夠高，所以其中可能產(chǎn)生大量弦球。這將是一個(gè)革命性的事件， 弦球概念的發(fā)明者之一、加州斯坦福大學(xué)的Savas Dimopoulos說。其中的重要原因在于弦論與空間存在額外維度的想法息息相關(guān)?！鞍l(fā)現(xiàn)額外維度比發(fā)現(xiàn)新大陸更為激動(dòng)人心”，Dimopoulos說道。
到目前為止，我們還沒有發(fā)現(xiàn)弦球的存在。但目前仍然是加速器運(yùn)行的初期階段?！袄碚撐锢韺W(xué)家善于預(yù)言現(xiàn)象”，Dimopoulos聳聳肩，“只不過他們無法告訴你在哪里能觀察到這樣的現(xiàn)象?！?/p>
四夸克態(tài)（Tetraquarks）
有時(shí)候，人們會(huì)從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)新的粒子。十年前，全世界有十幾個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，他們發(fā)現(xiàn)了“五夸克態(tài)”存在的線索。這是一種由四個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成的束縛態(tài)，質(zhì)量比質(zhì)子大一半。粒子物理學(xué)家對(duì)此議論紛紛。
標(biāo)準(zhǔn)模型中的質(zhì)子和其他復(fù)合粒子，要么是由三個(gè)夸克結(jié)合在一起的，要么是一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克結(jié)合在一起的。但是從根本上講，我們沒有理由認(rèn)為四、五、六、七個(gè)夸克和反夸克組成的重粒子就不存在，牛津大學(xué)的粒子理論家Frank Close說。然而，我們確實(shí)有理由認(rèn)為我們會(huì)很難發(fā)現(xiàn)這樣的粒子。例如人們預(yù)計(jì)一個(gè)五夸克態(tài)會(huì)在10^-23秒之內(nèi)衰變，“光在這段時(shí)間內(nèi)剛好飛過一個(gè)粒子”，Close說。
當(dāng)時(shí)我們看到的五夸克態(tài)，最終被證明沒有站得住腳。如果確實(shí)有這樣的發(fā)現(xiàn)，2005年的一個(gè)專門設(shè)計(jì)的尋找實(shí)驗(yàn)應(yīng)該能看到，但是結(jié)果并沒有看到。
雖然五夸克態(tài)已經(jīng)式微，但是四夸克態(tài)的勢(shì)頭正在上升。這種由兩個(gè)夸克和兩個(gè)反夸克復(fù)合而成的粒子可能會(huì)在電子和它的反粒子正電子湮滅時(shí)產(chǎn)生。Close說，問題就在于如何解釋這個(gè)現(xiàn)象：我們實(shí)際看到的是真正的復(fù)合粒子，還是如同“分子”一般，是短暫而松散地連在一起的兩組傳統(tǒng)的夸克-反夸克對(duì)？
當(dāng)我們篩選大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)，這種粒子得而復(fù)失的事情很可能還會(huì)發(fā)生。那真的是希格斯玻色子或超對(duì)稱的信號(hào)，還是會(huì)最終化作一團(tuán)泡影呢？
膠球（Glueballs）
質(zhì)子內(nèi)部是一個(gè)復(fù)雜的世界。三個(gè)為質(zhì)子貢獻(xiàn)了電荷的“價(jià)”夸克生活在一個(gè)沸騰的海洋中，周圍充斥著在量子真空中產(chǎn)生旋即消失的壽命極短的夸克。
在夸克之間起束縛作用的則是一類名為膠子的粒子?？淇藬y帶電荷和色荷。正如帶電粒子通過彼此交換光子而產(chǎn)生電磁力，帶色的夸克之間也會(huì)交換膠子。這種交換產(chǎn)生的強(qiáng)核力將它們束縛在一起。
但是其中還是有差別的。光子是電中性的，但膠子本身也攜帶色荷，所以它們對(duì)自己也有作用力。這就產(chǎn)生了一個(gè)有趣的問題：能不能不要夸克，找到一種僅完全由相互粘連的膠子組成的物質(zhì)呢？
物理學(xué)家已經(jīng)為“膠球”的可能性等待了三十年。1994年，歐洲核子中心的水晶桶實(shí)驗(yàn)（Crystal Barrel experiment）得到了其中首個(gè)可能的線索。但是粒子理論專家的Close說，二十年來我們并沒有弄清楚這究竟意味著什么。在任何可以想到的實(shí)際情況下，膠球的信號(hào)中都可能混雜著任意數(shù)量的電中性的強(qiáng)相互作用粒子，如泥沙俱下。“目前還沒有什么證據(jù)會(huì)違背現(xiàn)有的膠球理論”，CLose說，“但是如何證明這個(gè)理論仍在困擾著我。”
暴脹子（Inflatons）
為什么空間如此平滑，宇宙的物質(zhì)分布如此均勻？根據(jù)解釋宇宙起源的通常的大爆炸模型，空間本可以呈現(xiàn)出各種各樣稀奇古怪的參差不齊或者的扭曲。
目前的標(biāo)準(zhǔn)解釋是，剛出生后的宇宙經(jīng)歷了一段的急速擴(kuò)張的時(shí)期，當(dāng)時(shí)，空間區(qū)域的分離速度超過了光速，因而所有的不均勻性都被熨平了?！氨┟洝北澈蟮尿?qū)動(dòng)力是一個(gè)巨大的能量場(chǎng)，它曾短暫地主導(dǎo)了宇宙，之后衰變成其他物質(zhì)和輻射。
量子理論認(rèn)為，每一個(gè)場(chǎng)都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的粒子，這里的粒子叫做暴脹子（inflaton）。暴脹子存在的話就會(huì)產(chǎn)生一些有趣的影響。暴脹場(chǎng)的量子漲落很難完全消除，所以原初宇宙的某些部分仍然會(huì)持續(xù)暴脹，產(chǎn)生許多各自為政的宇宙，組成一種“多重宇宙”。
但是，暴脹子的直接證據(jù)不會(huì)在近期內(nèi)出現(xiàn)。至少，你需要一個(gè)能產(chǎn)生比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的能量密度大一萬億倍的加速器，普林斯頓大學(xué)的Paul Steinhardt說。 “但你又必須弄清楚哪種粒子加速碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生暴脹子”。
坡密子（Pomerons）
即使我們最終也未能成功分離出一個(gè)膠球（見上文），至少有一個(gè)地方物理學(xué)家會(huì)相信它會(huì)出現(xiàn)，那就是在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中，當(dāng)質(zhì)子在擦碰中進(jìn)行能量交換時(shí)。
這些“虛”的膠球的形狀和大小取決于碰撞的特征，這著實(shí)是個(gè)讓理論物理學(xué)家頭疼的數(shù)學(xué)問題。但有一個(gè)現(xiàn)成的補(bǔ)救措施，美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的理論物理學(xué)家Joe Polchinski說：將這些虛粒子整個(gè)簡(jiǎn)化成一個(gè)等效的坡密子（pomeron）。
坡密子在質(zhì)子相互作用的模型中的歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，甚至早于描述夸克、膠子和強(qiáng)相互作用力的理論。它們甚至是弦理論的源頭之一（請(qǐng)參閱弦球一節(jié)）。最初引入坡密子是為了解釋質(zhì)子的行為，后來才改弦更張?！跋艺撈鸪跏菑?qiáng)相互作用的候選理論”，Polchinski說，“然后才轉(zhuǎn)變成一個(gè)引力理論。”
現(xiàn)在，事情正在朝相反的方向發(fā)展。一種五維時(shí)空中的弦理論看起來非常像我們傳統(tǒng)的四維時(shí)空的強(qiáng)相互作用力。所以，現(xiàn)在人們用它來理解坡密子以及大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的擦碰反應(yīng)中的一舉一動(dòng)。
這可能真的會(huì)釣到大魚：相比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中標(biāo)準(zhǔn)的迎頭碰撞，這種擦撞所產(chǎn)生的碎片更稀少。人們正在對(duì)探測(cè)器加以改進(jìn)，以期待發(fā)現(xiàn)質(zhì)子交換坡密子的信號(hào)。這樣的改進(jìn)也有助于更精確地觀測(cè)人們津津樂道的希格斯玻色子，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的理論物理學(xué)家Jeff Forshaw說。
輕子夸克（Leptoquarks）
1994年，一組物理學(xué)家在德國(guó)漢堡的DESY實(shí)驗(yàn)室做電子對(duì)撞質(zhì)子的實(shí)驗(yàn)。他們看到一個(gè)電子貌似變成了一個(gè)較重的伙伴，μ輕子。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，這樣的轉(zhuǎn)變是前所未聞的。那么，其中究竟發(fā)生了什么？
一種可能性是，碰撞時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)重量級(jí)的雜交粒子，叫做輕子夸克（leptoquark）。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，電子和質(zhì)子是兩種截然不同的粒子，因?yàn)樗鼈儏⑴c的相互作用種類不同。質(zhì)子之類的粒子是夸克在強(qiáng)相互作用力下復(fù)合而成的（請(qǐng)參閱“四夸克”）。電子和μ輕子之類的基本粒子統(tǒng)稱為輕子，它們并不參與強(qiáng)相互作用力。
大統(tǒng)一理論的目標(biāo)是跨越這些界限，使自然界四種基本相互作用中的三種融合為一種。在一些理論，當(dāng)電子撞擊一個(gè)質(zhì)子時(shí)，例如在DESY的HERA加速器中，輕子夸克就會(huì)產(chǎn)生，并衰變?yōu)橐粋€(gè)μ輕子和夸克?！癏ERA似乎是一個(gè)產(chǎn)生輕子夸克的好地方”，倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院的理論物理學(xué)家John Ellis說。
在這個(gè)事件中缺乏進(jìn)一步的觀測(cè)事例，因此大家的熱情有所減退。然而，大統(tǒng)一理論的誘惑一直存在——在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上輕子夸克的搜尋今天仍在繼續(xù)。
W微子（Winos）
粒子物理學(xué)家通常是一個(gè)冷靜的群體。他們的粒子有時(shí)并非如此。
W微子出自超對(duì)稱理論，人們認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型能夠歸入這個(gè)宏大的理論建構(gòu)中。超對(duì)稱彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)模型的一些結(jié)構(gòu)性弱點(diǎn)，它認(rèn)為每個(gè)已知粒子都有一個(gè)尚未發(fā)現(xiàn)的、質(zhì)量通常較大的伙伴粒子。
例如，費(fèi)米子是標(biāo)準(zhǔn)模型中構(gòu)成物質(zhì)的一類磚塊粒子，其中包括電子和夸克，還有它們幽靈般的親戚中微子（見圖表）。在超對(duì)稱中，它們都具有“超費(fèi)米子”表兄弟：超電子（selectrons），超中微子（sneutrinos）和鸚鵡學(xué)舌般的超夸克（squarks）。另一類標(biāo)準(zhǔn)模型的主要粒子，傳遞相互作用力的玻色子，具有“微子”伙伴：光微子（photinos），膠微子（gluinos），等等。因此W微子是W玻色子的超對(duì)稱伙伴，而W玻色子則是傳遞弱相互作用力的粒子。
根據(jù)超對(duì)稱理論，所有的超費(fèi)米子都是玻色子，而所有“玻色微子”都是費(fèi)米子。這聽起來相當(dāng)混亂，不過別擔(dān)心：大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)目前還沒有發(fā)現(xiàn)這些超對(duì)稱粒子。對(duì)于許多粒子物理學(xué)家和宇宙學(xué)家來說，缺乏W微子之類的粒子將是一個(gè)嚴(yán)重的問題，因?yàn)槌瑢?duì)稱粒子是把星系結(jié)合在一起的未知的暗物質(zhì)（請(qǐng)參閱“Wimpzilla”）的一個(gè)現(xiàn)成候選者。
任意子（Anyons）
忘記這條規(guī)則：對(duì)于任意子，任何事情都會(huì)發(fā)生。這些二維世界的居民們無法歸入通常的，界限分明的費(fèi)米子和玻色子（請(qǐng)參閱“Winos”），而是介于兩者之間——這種模棱兩可的狀態(tài)導(dǎo)致麻省理工學(xué)院的理論粒子物理學(xué)家，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Frank Wilczek給它們?nèi)×诉@個(gè)名字。
電子和光子之類的常規(guī)粒子可以被視為自由空間中的能量畸變，是量子真空的一種點(diǎn)狀“激發(fā)”。同樣，任意子也是一類能量激發(fā)，但每個(gè)任意子攜帶的電荷只有電子的一部分，它們產(chǎn)生于強(qiáng)磁場(chǎng)中的某些二維金屬層里。
在這樣的情況下，在其中運(yùn)動(dòng)的東西實(shí)際上是磁場(chǎng)中的光子和金屬中的自由電子。那么為什么要發(fā)明一種新的粒子？Wilczek說，其原因就像我們提出質(zhì)子概念的原因一樣：非常管用。質(zhì)子是由夸克組成的，但沒有人見過單獨(dú)的夸克，因此質(zhì)子的提出通常是有道理的，例如當(dāng)我們描述原子核的行為時(shí)?！霸瓌t上你可以不必將這些激發(fā)視為獨(dú)立的實(shí)體”，Wilczek說。 “但是那會(huì)很不方便?！?/p>
二維的石墨烯材料是由單層碳原子構(gòu)成的，它的發(fā)現(xiàn)使得Andre Geim和Konstantin
Novoselov獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這種材料的出現(xiàn)，意味著任意子可能不久就會(huì)進(jìn)入千家萬戶。其獨(dú)特的性質(zhì)也使它們成為下一代的超高速量子計(jì)算機(jī)的大熱門。
伽利略子（Galileons）
20世紀(jì)90年代，人們通過對(duì)遙遠(yuǎn)的超新星的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了宇宙正在加速膨脹。這項(xiàng)研究名正言順地榮獲了2011年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
理論物理學(xué)家有點(diǎn)摸不著頭腦，他們不知道是什么原因?qū)е铝擞钪娴募铀倥蛎?。首選的候選者是“暗能量”，它源自量子真空，并用某種方法勝過了把萬物拉在一起的起穩(wěn)定作用的引力。另外的建議則是，這個(gè)效應(yīng)是一種錯(cuò)覺，源自于我們?cè)谟钪嬷械奈恢茫换蛘?，只不過是因?yàn)橐Φ淖饔迷谟钪鎸W(xué)的大尺度上有所減弱。
后一個(gè)解釋存在一個(gè)很大的障礙需要克服。我們目前的引力理論，愛因斯坦的廣義相對(duì)論認(rèn)為，引力在宇宙各處有同樣的行為。它的預(yù)言已經(jīng)得到太陽系尺度上的驗(yàn)證，至少我們星際探測(cè)器的漫游就證實(shí)了這一點(diǎn)。
伽利略子提供一個(gè)簡(jiǎn)潔的解決方法。人們假設(shè)有一種量子場(chǎng)能夠削弱引力的作用，而它們就是這種場(chǎng)對(duì)應(yīng)的粒子。像相關(guān)的“變色龍”粒子一樣，它們的作用被物質(zhì)所屏蔽。在相對(duì)高密度的區(qū)域，如我們的太陽系，我們感覺不到他們的削弱作用，只有在巨大而空虛的大片的宇宙中才有效——這從而解釋了超新星的觀測(cè)結(jié)果。
這是一個(gè)不錯(cuò)的主意，但它說得對(duì)嗎？問題的答案取決于能否找到可檢驗(yàn)的效應(yīng)，讓我們能夠證實(shí)它的存在，費(fèi)城賓夕法尼亞大學(xué)的理論物理學(xué)家Mark Trodden說?！拔覀?cè)诜浅ＥΦ匮芯窟@些效應(yīng)可能的樣子?！?/p>
馬約拉納粒子（Majorana particles）
1938年，意大利的理論物理學(xué)家Ettore Majorana在從巴勒莫到那不勒斯的旅途中失蹤，留下了許多未解之謎。其中一個(gè)謎題是，一個(gè)粒子在什么情況下會(huì)成為自身的反粒子。
除了電荷相反以外，粒子和它的反粒子是完全相同的（編者注：這句話其實(shí)不對(duì)。粒子和反粒子除了電荷之外，還有許多量子數(shù)是相反的。）。與超對(duì)稱理論中的超伙伴粒子（請(qǐng)參閱“Winos”）不同，反物質(zhì)是真實(shí)存在的。不過，1932年，當(dāng)人們?cè)谟钪嫔渚€中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)帶正電的反電子，也就是正電子時(shí)，反粒子才從理論猜想變成了現(xiàn)實(shí)。
Majorana提出，一個(gè)和電子同屬費(fèi)米子的不帶荷粒子，可能有一個(gè)同樣不帶荷的反粒子。這似乎很荒謬：這不就是同一個(gè)粒子的復(fù)制嗎？但超對(duì)稱世界中本來就有Majorana的粒子。在超對(duì)稱中，不帶荷的光子有一個(gè)費(fèi)米的超對(duì)稱伙伴，叫做光微子。光微子也是它自身的反粒子。同樣性質(zhì)的還有希格斯微子，也就是希格斯玻色子的超對(duì)稱伙伴。
上個(gè)月，一個(gè)納米半導(dǎo)體導(dǎo)線實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象印證了Majorana描述，同時(shí)也證實(shí)了長(zhǎng)期以來的理論預(yù)言（編者注：這個(gè)實(shí)驗(yàn)中觀察到的是一種準(zhǔn)粒子，不是中微子之類的基本粒子）。馬約拉納粒子很有可能每時(shí)每刻都在穿過我們的腦袋：中微子和反中微子的反應(yīng)方式不同，但可能是相同的無荷粒子的不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)應(yīng)該是一個(gè)叫做無中微子雙β衰變的核過程。傳統(tǒng)的β衰變會(huì)釋放反中微子或中微子。在罕見的情況下，一個(gè)核可以進(jìn)行兩次這樣的衰變，放出兩個(gè)這樣的粒子。如果中微子是其自己的反粒子，兩者便會(huì)湮滅，人們就不會(huì)觀測(cè)到中微子的釋放。這樣的過程有助于揭開一個(gè)巨大的謎團(tuán)：為什么是物質(zhì)，而不是反物質(zhì)，主導(dǎo)了整個(gè)宇宙。
弱作用巨獸粒子（Wimpzilla）
物理學(xué)家Rocky Kolb在伊利諾斯州的Warrenville的超市購(gòu)物時(shí)，想給他和同事們剛剛發(fā)明的暗物質(zhì)粒子模型取個(gè)名字。旁邊路過的公交車上的一張電影海報(bào)提供了答案。這是1998年，哥斯拉（Godzilla）翻拍剛剛上映。于是誕生了弱作用巨獸粒子（Wimpzilla）。
【圖：影片Godzilla海報(bào)】
沒有人知道暗物質(zhì)是什么：我們只知道在我們的望遠(yuǎn)鏡里，80％以上的宇宙物質(zhì)是不可見的。弱相互作用重粒子（Weakly-interacting massive particles或WIMP），是一個(gè)主流的想法。它們比質(zhì)子重10倍到100倍，會(huì)在宇宙原始熱遺跡中產(chǎn)生，并借助引力播下今天的星系結(jié)構(gòu)的種子。
但這并不是唯一的可能性。在宇宙最初的暴脹時(shí)期（請(qǐng)參閱“暴脹子”），空間本身的膨脹從真空中“撕”出了粒子。Kolb和他的同事們計(jì)算，其中暗粒子的質(zhì)量可以比WIMP大十億倍。
巨獸級(jí)的質(zhì)量意味著Wimpzillas極為稀少。它們無法在粒子加速器中產(chǎn)生，恐怕也不能被眾多的探測(cè)WIMP的地下探測(cè)器所捕獲?！八鼈兛赡苁窃?jīng)提出的最難以捉摸的暗物質(zhì)粒子，”Kolb說。
它們可能在宇宙微波背景輻射中留下蹤影，那是彌漫天空的宇宙大爆炸的余輝。如果我們?cè)跉W洲航天局的普朗克衛(wèi)星的宇宙背景輻射圖中發(fā)現(xiàn)了某些痕跡，“那么經(jīng)過了一萬年的思考，我們終于可以知道宇宙是由什么構(gòu)成的”，Kolb說。這就是發(fā)明新粒子概念可以換來的大獎(jiǎng)。
關(guān)于本文
圖片出處依次為：
www.scienceblog.com
www.jlab.org
www.nobelprize.org
physicaplus.org
www.findfreegraphics.com
聯(lián)系客服
