尋找新物理

物質是由 不可分割的粒子 或“ 原 子 ”構成的，這一觀點可以追溯到古希臘和印度。然而，直到1897年， J.J. Thomson 才發現了已知的第一個 基本粒子 —— 電子 。20世紀早期積累的實驗證據表明，原子本身包含了一個攜帶原子大部分質量的 原子核 ，以及繞着原子核旋轉的電子。

到了上個世紀50年代和60年代，人們對操縱原子核的興趣不斷增加，同時進行的還有將高能粒子束碰撞在一起的粒子物理實驗。從碰撞的碎片中，物理學家推測出了61種基本粒子的存在，構成了今天熟知的粒子物理學的 標準模型 。

標準模型解釋了構建物質的基本粒子是什麼，也解釋了這些基本粒子是如何通過“ 信使粒子 ”（即 玻色子 ）相互作用的。儘管標準模型在預測世界是如何運作的許多方面都表現得極其出色，但它卻並不完備。距離大型強子對撞機（LHC）發現標準模型的最後一塊拼圖—— 希格斯玻色子 ——已經十年過去了，世界各地的物理學家正努力地通過各種實驗尋找超越標準模型的證據，他們想要知道 宇宙中是否還存在着全新的基本粒子或基本力 。

近來，一些最新的實驗結果也不斷地給出了耐人尋味的結果。例如：

不久前，CDF實驗在測量了W玻色子的質量後發現，它比理論預測的更重；

2021年，費米實驗室對μ子的磁矩的最新測量結果表明，它比標準模型計算的預期值略大；

2021年，LHCb實驗宣佈，電子比μ子更有可能在B介子的衰變中產生，這與理論預期的不符。

一旦這些結果被進一步確認，就預示着新物理的到來。除了這些實驗外，其他的實驗也在耐心地尋找新物理的蛛絲馬跡。

超對稱理論

上個世紀六十年代，物理學家首次提出了 超對稱理論 ，並在七十年代得到了廣泛的發展。超對稱是標準模型的擴展，它假設我們熟悉的每一個已知的粒子都有一個更重（但尚未被發現）的“超夥伴”。比如電子（electron）的超夥伴是“超電子”（selectron）。

超對稱曾被給予厚望，因為它可以解決標準模型無法回答的問題，比如上文中我們提到的μ子磁矩問題。根據 量子力學 ，真空並不是完全空的，而是充滿了不斷出現並快速湮滅消失的虛粒子對。這些虛粒子對會影響μ子磁矩。如果在這些虛粒子中出現了超對稱預言的全新粒子，那麼就可以解釋為什麼μ子的磁矩比標準模型預測的要大。同時，超對稱粒子也可以解釋W玻色子的質量問題，以及它也是天然的 暗物質 候選粒子。

LHC的ATLAS實驗致力於尋找超輕子（slepton）以及超荷子（chargino）和超中性子（neutralino）。在不久前發佈的最新測量結果中，儘管ATLAS仍然沒有發現這些假想粒子的蹤跡，但卻對它們可能出現的範圍做出了限制，也排除了一些可以用以解釋μ子磁矩的模型。

大統一理論

上個世紀七十年代，物理學家已經運用量子物理學來解釋已知四種基本力中的三種—— 電磁力 、 弱力 和 強力 。許多物理學家相信，在温度極高的早期宇宙中，這三種基本力會在非常高的能量（約10 GeV）下合併成一個“大統一”力。就像物理學家已經確認，電磁力和弱力在高能下可以統一成電弱力一樣。然而，直接檢驗大統一理論超出了當前粒子加速器的能力範圍。但大統一理論卻做出了一個驚人的預言，那就是質子可以衰變成更輕的粒子（比如正電子和π介子）。這就意味着 宇宙中所有的物質，都將在有限的未來衰變 。

大統一理論有許多不同的模型，但它們大部分都預測質子的壽命要超過10 年！這是一個驚人的時間長度，尤其是我們的宇宙年齡才約為1.38×10 年。當然，我們不必耗費如此悠長的歲月去等待觀測一個質子的衰變。粒子的壽命被定義為粒子數量減少到初始數量的1/2.72的時間。因此，如果我們在實驗中準備龐大數量的質子，那麼就有可能測量出它的壽命。

自1996年起，日本的超級神岡探測器就一直致力於監測質子衰變釋放出的輻射。它包含的質子數量高達7.5×10 個。儘管到目前為止，實驗一直沒有發現質子衰變，但卻對質子的壽命設置了下限： 10 年 。未來，當頂級神岡探測器投入使用時，將是世界上用於搜索質子衰變的最靈敏的探測器。

弦理論

物理學家所追求的並沒有停留在統一三種基本力，而是找到一個能夠統一所有四種基本力（包括引力）的萬有理論。目前，萬有理論的最佳候選仍然是 弦理論 。在過去的幾十年時間裏，它經歷了發現、放棄和重新發現的漫長曆史，並且經歷了多次迭代。

弦理論的基本思想是，已知的基本粒子實際上是由弦構成的。這些弦必須在10個維度（9個空間維度加1個時間維度）中移動和振動。10個維度實際上是弦理論的一個預測，如果我們試圖在更高或更低的維度中構建方程，那麼它們在數學上就會變得不一致。所以，既然我們顯然生活在一個只有三維空間的宇宙中，那麼額外的維度必須以某種方式在非常小的尺度上被捲起來（或者説”緊緻化“），以至於我們無法注意到它們。

不可否認的是，直接檢驗弦理論是一個艱難的前景，這也使它遭受了許多的批評。 即使是被提議的下一代超級粒子加速器，也沒有希望達到統一四種基本力所需要的能量 。而弦本身又是如此的微小，就算是目前最好的儀器也根本無法看到它們。但物理學家可以從某些假想粒子的明顯缺失中推斷出弦理論所預測的額外維度的存在。例如，物理學家提出了一種假想的 引力子 ，負責傳遞引力，就像電磁力是由光子傳遞的一樣。有一種可能性是如果在LHC的對撞中產生了引力子，它們會在被觀測到之前就已經進入了額外維度。物理學家可以通過觀察碰撞後剩餘可探測到的產物的動量和能量的不平衡來計算出是否產生了引力子。

過去，無論是希格斯粒子還是引力波，它們從被提出到被發現都經歷了非常漫長的過程。今天，雖然我們仍然沒能找到超對稱粒子或看到質子的衰變，但這並不意味着這些理論是失敗的，也許我們只是需要更多的時間和耐心。

# 創作團隊：

撰文：原原

設計：雯雯

# 參考來源：

http://home.cern/news/news/physics/atlas-strengthens-its-search-supersymmetry

http://www.hyper-k.org/en/physics.html

# 圖片來源：

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