让三种基本力统一吧!

作者: 原原

来源: 原创

发布日期: 2017-11-20

文章讨论了物理学家如何尝试统一四种基本力,特别是通过大统一理论,以及实验和理论模型如何推动这一领域的进步。

就在宇宙大爆炸之后,宇宙间只有一种初始的基本力。随着宇宙逐渐的冷却,初始基本力开始分离成了两种,接着变成三种,最后演变成今天已知的四种基本力:引力、弱核力、电磁力和强核力。物理学家一直梦想着能够发展出一个万有理论将这四种基本力统一起来。事实上,科学家已经在大约100GeV的高能量之下,利用粒子对撞机实验使电磁力和弱核力统一成“电弱力”。这样的实验模拟了宇宙大爆炸后的兆亿分之一秒的环境。

但问题是,在宇宙大爆炸后的10-36秒发生了什么?理论上,电弱力能够跟强核力统一在一起。这样的一个大统一梦想起始于1974年,Sheldon Glashow 和 Howard Georgi 发现数学的对称群SU(3)、SU(2)和U(1)——它们分别对应于强核力、弱核力和电磁力,加在一起共同构成了粒子物理学的标准模型——可以被纳入一个单一的更大的对称群:SU(5),并将所有已知的粒子都囊括在内。

在SU(5)中,所有的粒子都可以被看做是五边形和十边形的数学结构来表示。但唯一的问题是,目前实验还没有观测到任何质子衰变的迹象。例如日本的超级神冈探测器一直致力于监测衰变质子释放出的辐射,但没有观测到任何衰变的证据。他们的最新研究成果将质子寿命的下限提高到1.6×10-34年。

SU(5)模型已经尽可能的简单,但研究人员发现一系列可以让现有粒子嵌入其中的对称群,它们的额外特征和变量允许质子的寿命得以延长,从而超过之前实验给出的结果。虽然目前我们并没有观测到质子的衰变,也没有发现超对称理论预言的新粒子,但有许多人仍坚信大统一理论是正确的。正如著名的粒子物理学家John Ellis就说道:“大统一理论在哲学意义上的动机依然存在,且一如既往的重要。

我仍然爱着超对称理论,我也同时迷恋着大统一理论。” 那些坚信大统一理论的科学家认为,质子的寿命也许刚刚或远远超过当前探测器的能力。因此,他们只能把希望寄托于比现有更大的探测器上,比如日本的Hyper-K实验和美国的DUNE实验。当然,还有一些人对大统一理论已经完全失去了兴趣,比如最先提出大统一理论的Glashow。

除了漫长地等待未来的实验结果,有没有可能存在着另一种可能性:在质子不衰变的情况下,大统一理论也依旧可行?这的确是有可能的,在一篇最新的论文中,加州大学圣地亚哥分校的 Bartosz Fornal 和 Benjamín Grinstein 在SU(5)的基础上建立了一个不需要质子衰变的大统一理论。

在新的模型中,Fornal 和 Grinstein 在SU(5)加入了两个新的结构,一个拥有40条边,另一个有50条边。这些结构代表了重场,它们帮助统一电弱力和强核力,并且可以阻止质子发生衰变。同时,他们所建立的理论,并不需要求助于超对称理论。他们的结果再次描述了这个成熟的领域依旧充满了丰富性和魅力。

接下来,他们所要做的就是利用这个新模型来解释为什么在2012年发现的希格斯玻色子的质量要比预想中的轻。这或许能够通过在理论中增加一个额外的场来解决。这个方法被证明有时候是非常有用的,比如为了解释所有粒子的质量起源之谜,物理学家在理论中加入了一个希格斯场,而这被实验证明是对的。他们也希望能够通过修正理论,将暗物质粒子的候选者引入到模型中。在等待新的实验结果之前,或许这是一个值得尝试的方向。

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