2016年物理学家会为什么刷屏:新粒子或“现身”

发布时间:2016年02月21日 08:56 | 来源:看厦门


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  有首歌唱道:最明亮时总是最迷茫,最繁华时也是最悲凉。繁华过后,一身憔悴在风里。物理学家的圈子貌似也是如此。自从2013年,大型强子对撞机(LHC)证实发现了“赋予其他粒子质量”的希格斯玻色子之后,物理学家们仿佛陷入了沉寂。迄今,很多与宇宙有关的问题仍然悬而未决。
  然而,蹲下只是为了跳得更高;沉默,也只是为了积聚更大的能量。2016年,物理学家们或许会给我们带来更多惊喜。在这一年里,他们将朝着宇宙和物质的更深处进发,或许会发现新粒子,为我们揭开笼罩在引力波、暗物质等千古谜团头上的面纱。
  千期万盼终有时 引力波激起涟漪
  2016年2月11日,这个天文物理学史上的里程碑日子,美国科学家宣布第一次直接探测到引力波的存在,验证了百年前爱因斯坦广义相对论的预言。就像望远镜的发明或太空无线电波的发现一样,引力波开启了宇宙观测的新时代。
  此前,全球科学家为此兴奋、焦虑、努力了多年。2014年3月,包括美国哈佛—史密森中心在内的联合研究团队宣布发现宇宙原初引力波,犹如一石激起千层浪,科学家们“喜大普奔”。但2015年1月,这支美国科学家团队和欧洲空间局(ESA)普朗克卫星的科学家正式确认,那个发现乃是一个错误。2015年9月,《科学》杂志称,一项由澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的帕克斯望远镜执行了11年的搜索并未发现引力波。这些科学上的波折着实令人抱憾,但对于素有“明知山有虎,偏向虎山行”精神的科学家来说,这并不能阻挡他们继续探索宇宙的步伐。“闭关”多年的激光干涉引力波天文台(LIGO)终于在2016年听到了13亿年前两个黑洞相撞产生的“巨响”,以及探测到此过程中的引力波。

LIGO实验室的工作人员

LIGO实验室的工作人员

  引力波由爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出,被认为是时空在宇宙中的涟漪。理论上说,引力波携带有引力辐射。科学家们预测,中子星、超新星和大爆炸等各种物体都有可能在宇宙间留下引力波的痕迹。它可以帮助科学家们追溯到宇宙创生之初一段极其短暂的急剧膨胀时期,即所谓“暴涨”时期,而宇宙暴涨理论能解释宇宙大爆炸理论所不能解释的一些难题。
  千呼万唤始出来 新粒子或“现身”
  粒子物理学界最重磅的消息,可能会是世界上最大的粒子加速器——LHC的两个独立实验发现了一种稍纵即逝的潜在新粒子的线索。

新粒子示意图

新粒子示意图

  英国《自然》杂志网站在2015年12月28日的报道中指出,欧洲核子研究中心(CERN)的LHC可能找到了一种新的粒子,这种诱人的“可能”让理论物理学家趋之若鹜,相关论文在短短两周内如潮水般涌出,有95篇专门讨论这种假想新粒子的研究论文。
  科学家们对此提供了诸多解释,有人认为这是一种超对称粒子(SUSY),也有科学家认为,它很有可能是2012年LHC发现的希格斯波色子的表亲,或者是引力子。
  加州理工学院的物理学家肖恩·卡罗尔1月3日接受美国趣味科学网站采访时说:“将会有很多实验性的证据表明发现了一种新粒子,其质量约为质子质量的800倍,我们希望厘清相关信号是否可靠。”
  迄今为止,科学家们获得的证据都特别基础,信号的产生缘于随机性而非一种真正粒子的几率约为四分之一。对于门外汉来说,这种结果可能已经很不错了,但物理学家们寻找的是“5西格玛”的结果,也就是说,信号随机性的概率仅为350万分之一,前路漫漫啊!
  如果确实存在这种质量的神秘粒子在太空游荡,物理学家们还不知道它身处何方,也没有理论来预测和解释这一粒子,那么,科学家们可能会争先恐后地投入研究从而填补空白。
  美国雪城大学的物理学家谢尔顿·斯通解释说,今年,LHC的两大实验都将得到10倍于现在的数据量,因此,科学家们将知道这是统计问题还是新粒子的原因。
  柳暗花明又一村 暗物质望“露真容”
  科学家们普遍认为,宇宙似乎将大部分物质隐藏起来了,宇宙间超过80%的物质由一种神秘的物质组成,这种物质既不发光,也不吸收光,望远镜很难观测到她的“倩影”,科学家们将其称为 “暗物质”。暗物质似乎对宇宙间的发光物体施加了引力拉动,导致宇宙没有分崩离析。
  暗物质这个名字,由脾气极其古怪的加州理工学院天文学家弗里兹·兹威基在20世纪30年代创造。尽管迄今为止已经有数以百计的模型,地球上也已经建起十几个寻找暗物质的实验室,美国、欧洲和日本分别发射了多个空间探测器寻找暗物质的信号,科学家们大海捞针似地撒网,但暗物质依然悬念重重,没人知道暗物质究竟是“何方神圣”——它由什么组成以及它如何工作。加拿大莱斯布里奇大学的物理学家苏亚·达斯表示,有科学家希望,2016年有人能解开这个谜团。
  很多科学家认为,暗物质由弱相互作用重粒子(WIMPS)组成。对于暗物质的直接探测实验一般采用低温探测器或者惰性液体探测器,设置于地下深处,地表几百米甚至几公里以下,以排除各种可能造成原子核被碰来碰去的背景噪声,包括从环境中来的和宇宙中来的各种高能粒子等。
  今年,很多地下的探测器,包括位于加拿大安大略省萨德伯里的SNOLAB地下实验室、意大利的大萨索国家实验室等均打算直接探测暗物质粒子。
  暗物质和暗能量的研究是当前基础物理研究最前沿的方向之一,突破性的重要进展将极大促进我们对物质世界的微观结构以及宇宙演化的理解。
  莫道前路满眼灰 俯身耕耘大有为
  除了上述在物理学界“声名赫赫”的谜团有可能露出蛛丝马迹之外,科学家们或许也将在其他地方有所突破。比如,在LHC内进行的实验应该也能证实由目前已知的亚原子粒子组成的奇异粒子,例如全由夸克组成的“五夸克粒子”和“四夸克粒子”等。而且,LHC也有望获得超对称理论(每种物质粒子都存在相对应的反物质粒子)的线索。
  还有另外一些问题也可能会被厘清。达斯举例解释说,比如,尽管科学家们已经证实,广义相对论在相当小的尺度起作用,但目前还无法确定广义相对论是否能跨越很长的距离,也就是说在宇宙尺度上起作用。物理学家们发现宇宙正在加速膨胀,很多人认为这是因为暗能量,这种神秘的力量与引力相反,会将物质往外推。但另外一种可能性是,在宇宙尺度上,引力崩溃不起作用了。
  (来源:科技日报)

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