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宇宙是由什么组成的?

 太极混元天尊 2018-11-15

万物是由什么构成的?这是我们至今仍在追问的问题。现在我们知道,宇宙中存在着一些无法由更小的物质构成的基本粒子。你知道这些基本粒子都有哪些吗?



如果你刚好看了昨天的文章《物质的质量来自哪里?》,那么你肯定知道答案。


原子是由原子核和电子组成的,电子是基本粒子,但原子核并不是,它是由质子和中子构成的。但还没有结束,质子中子实际上是由基本粒子——夸克胶子组成的。夸克和胶子之间的相互作用是由粒子物理学的标准模型所描述的。


 标准模型包含了17种基本粒子:六种夸克、六种轻子、四种规范玻色子以及希格斯玻色子| 图片来源:DEREK B. LEINWEBER


早在上个世纪八十年代,物理学家就书写了标准模型,但直到2012年在大型强子对撞机中找到希格斯玻色子,标准模型中的所有17个粒子才全部被找到。


 四种基本相互作用。| 图片来源:Pany/NPI


标准模型还描述了自然界中四种基本力的其中三种——强核力、弱核力和电磁力。但是它并没有解释引力,引力由爱因斯坦提出的广义相对论所描述。将这两种框架统一到一个理论是当今物理学遇到的最大挑战。



 标准模型拉格朗日方程。| 图片来源:CERN


上面这个马克杯或许是世界上最知识渊博的杯子了,因为在杯子上的方程正是描述了宇宙如何运作的标准模型方程。从质子内部的夸克和胶子的复杂相互作用到元素周期表,从太阳核心的聚变到中子星内部的动力学,都可以运用标准模型来解释。


 质子的结构是动态的,在高能量尺度存在更多夸克和胶子。| 图片来源:Phiala Shanahan


尽管标准模型如此的成功,但是还有许多问题是它无法解释的,例如:

中微子为什么有质量?

为什么物质多于反物质?

为什么我们观测到宇宙在加速膨胀?

为什么观测到的星系旋转速度比理论计算的结果大?

为什么一些星团可以聚集在一起,虽然观测证据表明它们并不可以?


 观测到的星系旋转速度与理论预期的不符。| 图片来源:Pany/NPI


关于后面两个问题,存在一个解决方案。假设在宇宙中存在一些物质,它们既不发射也不吸收普通物质粒子,却又可以产生引力相互作用,那就可以解释许多质量缺失的问题。这些物质就是所谓的暗物质


 两个具有相同普通物质与暗物质分布的星系相互碰撞,计算结果表明普通物质(红色)会相互作用、碰撞,而暗物质(蓝色)却像个冷静的旁观者。这与最后一张图中,通过引力透镜观测到的普通物质与(推测存在的)暗物质状况类似。| 图片来源:[1]


但是,暗物质是什么呢?我们并不知道。在四种基本相互作用中,可以确定暗物质会发生引力相互作用,但不发生电磁相互作用,也不发生强相互作用(否则我们早就通过宇宙射线探测到它了),至于弱相互作用嘛,我们还不确定。


因此,比起暗物质是什么,我们更清楚暗物质不是什么。暗物质不是普通物质,不是星系,不是反物质,不是星系尺寸的黑洞…...


○ 宇宙的成分:暗物质约为26.8%,暗能量约为68.3%,而我们熟悉的普通物质(比如行星、恒星等)只占4.9%。| 图片来源:ESA/Planck


有一些理论试图解释暗物质可能是什么,比如超对称额外维度中微子等。那么,我们能通过实验探测到暗物质吗?


一种可能性是在对撞机中将普通物质粒子(即标准模型中的粒子)相互对撞。如果一些能量或动量消失了,那么就很可能就是产生了暗物质。然而不幸的是,中微子也能做到如此,这就意味着,我们必须很好地理解粒子相互作用产生的中微子背景,然后寻找额外的超出标准模型背景的信号。这就是为什么在对撞机中寻找到暗物质是如此困难。


第二种可能性是通过间接探测。如果真空中暗物质湮灭产生了标准模型中的粒子,我们就会看见比预期中更多的物质,从而推测是暗物质产生了这些粒子。


第三种可能性就是直接探测了。探测猜想中构成暗物质的大质量弱相互作用粒子(WIMP)是否会与普通物质发生相互作用,并留下什么蛛丝马迹。


 探测暗物质的三种不同可能性。| 图片来源:Pany


在没有探测到任何信号时,我们翘首企盼早日看见暗物质,然而,如果真的探测到暗物质,我们或许又会不知如何是好。如果我们想要更好的从理论上解释暗物质,想要超越标准模型,必须首先更好地理解标准模型做出了哪些预测。或许我们寻找的是对标准模型的微小修正,所以必须做非常详细的计算,以非常高的精度来理解标准模型到底做出了什么预测。


例如,一个暗物质粒子与原子核碰撞后会反冲,但是为了让观测到碰撞的概率最大化,实验中会使用重的原子核,例如有着100个核子的原子核。这就意味着需要进行大量的量子色动力学(描述强相互作用的理论)计算,以了解碰撞过程中到底发生了什么。


当然,我们可以先从一个“简单”的问题开始——质子的大小是多少


质子是组成原子核的粒子,是太阳发生核聚变发光发热的能量之源,是在宇宙大爆炸最初产生元素的基础。原子核中的质子比中子质量小0.1%,这对于生命的存在至关重要,如果情况反过来,就不会有带负电的电子绕着带正电的质子旋转形成的稳定原子,也就不会有这之后的一切物质了。


 

 图片来源:Pany/NPI

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