强CP问题,可不是什么跟“最强情侣”有关的问题。其实,当它们组合在一起的时候,就成了粒子物理学中悬而未决的重大难题之一。对强CP问题的理解也将帮助我们叩响“新物理”的大门。要理解强CP问题,我们首先得了解什么是“强”,什么是“CP”。
这里的“强”是指强相互作用,是自然界的四种基本相互作用之一(其它的三种为引力、电磁相互作用和弱相互作用)。从昨天的 《你脑海中的原子模型是什么样的?》 我们知道原子是由原子核和电子构成的。除了氢气,原子核都是由质子和中子组成的。但问题是是什么把原子核紧紧地束缚在一起?我们就需要一个比电磁力更强的力,这个力就是强核力。
事实上,单个质子和中子也是由强核力束缚在一起的,因为质子和中子都不是基本的,而是由更小的带电粒子夸克组成的。夸克独特的地方在于,它不仅拥有电荷,还拥有色荷。夸克的色荷共有三种:红、绿和蓝,当它们相结合的时候就会变成“无色”的。
正如在《十个问题,带你认识粒子物理学》中作者也提到过,强相互作用其实是由胶子传递的。胶子不仅负责将单独的粒子——比如质子、中子或π介子——束缚在一起,它也将原子核束缚在一起。胶子的行为是由量子色动力学(QCD)所支配。
根据QCD,当两个夸克(或反夸克)之间的距离越来越大时,它们之间的相互作用力也越大,也就是说,如果两个夸克离的非常近,它们之间的相互作用力就非常小,这被称为“渐进自由”。
此外,如果强行把两个夸克拉开,最终会达到一个点,一旦超过就会在真空中拉出一对粒子/反粒子对。也就是说在这个过程中制造出了多余的粒子,这也是很反直觉的,有点像奇怪的巴拿赫-塔斯基定理(又名“分球怪论”)。
在生活中,我们经常说的“质量”其实也跟强相互作用有关。我们身体的大部分质量都来自强相互作用,甚至是你坐的椅子、太阳和月亮的质量都来自于它。
尽管我只是简单的描述了强相互作用,但是你要记住,如果没有它,恒星就不会发光,也没有复杂的分子会产生,更不会有任何的岩石行星出现在宇宙的任何角落。
那么CP又是什么?在20世纪初,艾米•诺特发现了基本物理学定律和对称性有关。她把连续对称性和守恒定律连接了起来,例如,一个系统对于空间平移的不变性(物理定律不随空间中的位置而变化)给出了动量的守恒定律。
举个例子,镜像对称,也被称为宇称不变性(用字母“P”表示宇称)。当你照镜子的时候,镜中的你跟现实中的你正好左右相反。如果你举起右手,镜像中的你就会举起左手。
1956年的时候,吴健雄通过观察钴-60原子的放射性衰变,发现电子主要从一个特定方向射出。她验证了杨振宁和李政道的理论:在弱相互作用中宇称不守恒。
另一个对称是跟电荷(用字母“C”表示)有关的。在我们的宇宙中,质子带有正电荷,而电子带有负电荷。电荷对称关心的是如果电荷对换了会发生什么。
事实证明,电荷对称也是可以破坏的,也跟弱相互作用有关,特别是跟中微子有关。虽然中微子并不具有电荷,但它们却具有螺旋性。
现在的问题是,支配弱相互作用的电弱理论(EWT)和QCD是非常相似的。理论上,CP破坏是可以发生在强相互作用的,但目前在实验中我们还没有发现任何CP破坏的证据。
为什么?我们不知道为什么CP破坏只发生在弱相互作用,而不发生在强相互作用中。科学家提出了一些可能的理论解释:Peccei–Quinn理论:这是最被看好的一个理论。该理论是由Roberto Peccei和Helen Quinn提出,他们认为参数θ并不是一个常数,而是一个场,它的值可以演化。
但无论是Peccei-Quinn理论还是SMASH理论,他们想要成功就必须要在实验中找到轴子的踪迹!强CP问题是一个强烈的信号表明现有的理论(即粒子物理学的标准模型)是不完整的,隐藏在它背后的秘密正等待着我们去发现。