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为什么物质有三代?

2020-04-10  lindan9997

从遥远的快速旋转的脉冲星,到地球上的一草一木,在宇宙这个舞台上孕育了各种奇异而美丽的物质形式。但当我们刨根问底的时候就会发现,这一切的一切,竟然都仅仅是由三种基本粒子构成的,即电子上夸克下夸克。它们以各种方式混合在一起,形成了现有的每一个原子。

但这三种粒子并不是故事的全部,它们仅仅只是三代物质粒子中的第一代:

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夸克和轻子都属于费米子,它们都可以被划分为三代。

每一代物质粒子都比前一代更加的重。由于第二代和第三代粒子不稳定,因此它们会迅速的转变成更轻的版本,因此宇宙中并没有这两代粒子形成的奇异恒星或奇花异草。看起来,就算宇宙没有更重的两代粒子似乎也能够运作良好,但为什么有三代?其背后的原因是物理学家一直在探索的。

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上世纪70年代,追求某种更深层、更基本原理的物理学家们建立了粒子物理学的标准模型,它描述了所有已知基本粒子,以及它们之间的复杂相互作用。物理学家想借助标准模型来窥探为何物质粒子刚好不多不少的存在三代这一问题。然而,没人能破解其中的奥秘,这个问题基本上被搁置一旁。

然而最近,就在许多理论物理学家已经几近放弃的现状下,标准模型的设计者之一、现年86岁的诺奖得主史蒂芬·温伯格(Steven Weinberg)在《物理评论D》杂志上发表了一篇论文,重新唤起了大家对这个谜团的思考。论文中提到,粒子质量的一种有趣模式或许能引领未来的研究方向。

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1967年11月20日,史蒂芬·温伯格(Steven Weinberg)在物理评论快报上发表的一篇标志性的论文:《轻子模型》(A Model of Leptons),为高能粒子物理学在20世纪后半叶的发展指明了方向。

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标准模型并没有预测基本粒子的质量大小,这些值只能通过实验测得,然后再将测量结果代入到理论背后的方程中。测量结果显示,第一代粒子中的电子重0.5MeV(兆电子伏特),而它的第二代和第三代对应粒子——μ子和τ子的质量则分别为105 MeV和1776 MeV。同样地,与二、三代相比,第一代粒子中的上夸克和下夸克也是最轻的,第三代的顶夸克和底夸克最重,其中顶夸克的质量高达173210 MeV。

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假设电子(e)的质量为1,那么τ子的质量是电子的约3000倍,而顶夸克的质量则是电子的约340000倍。

当物理学家审视这些数值时,发现了一种有趣的规律:第三代粒子都重达数千兆电子伏特,第二代粒子都重达数百兆电子伏特,而第一代粒子都只有约一兆电子伏特。从第三代到第一代,粒子的质量以指数级变轻。

标准模型中的粒子质量与弥漫在宇宙中的希格斯场有关,粒子与希格斯场的作用越强,就会获得越大的质量。例如最重的顶夸克在穿过希格斯场时,会“感受”到强烈的阻力,就好像是一只苍蝇被粘在了蜂蜜里;而轻便的电子在希格斯场中就像蝴蝶轻快地飞舞在空中一样。每种粒子对场的感受都是这种粒子本身的一个内在属性。

在标准模型建立之初,它给物理学家带来了无数激情和灵感。众多科学家都摩拳擦掌地试图用它来解释粒子的属性。比如在1978年,物理学家徐一鸿(Anthony Zee)与他当时的学生Stephen Barr在《物理评论D》中发表了一篇论文,他们创建了一个可以通过精细结构常数、μ子的质量、温伯格角来计算电子质量的模型。Barr和徐一鸿教授在1978年发表的只是一个大致的想法,但仅仅几年之后,这一想法便因为弦理论的出现而被搁置一旁。

徐一鸿与Barr的核心思想部分受到了温伯格早期研究的启发。与顶夸克那无法忽视的大质量相比,电子和其他一些粒子的质量显得微不足道。他们认为,在某种意义上,只有较重粒子的质量才是最基本的。

到了2008年,物理学家Patrick FoxBogdan Dobrescu再次对这一问题发起进攻。他们认为,从某种程度上看,顶夸克是非常特别的,因为顶夸克的质量恰好大致等同于希格斯场的平均能量,因此他们假定只有顶夸克穿越希格斯场的方式是标准的。

其他粒子与希格斯场的作用是间接的。这是有可能的,因为量子力学的不确定性允许粒子在短时间内突然出现。这些稍纵即逝的粒子在更永久的粒子周围形成了“虚”粒子云。例如,当虚顶夸克聚集在一个μ子(第二代粒子)周围时,它们可以通过与一种新的假想粒子相互作用,将μ子暴露在希格斯场中,从而使μ子也具有一定的质量。但是因为这种曝光是间接的,所以其质量比顶夸克要轻得多。

让第一代粒子以类似的数量级轻于第二代粒子的机制与上一段所述的机制类似。值得一提的是,在所有粒子中,最轻的中微子也有三代。但它们的性质与其他基本的大质量粒子非常不同,因此不适合用于用这种机制解释。

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温伯格在最近的论文中重新探讨了这种间接机制的各种可能工作方式。他将感受希格斯场的能力赋予了整个第三代物质粒子——即顶夸克、底夸克、τ粒子。通过与某些奇异的虚粒子相互作用,质量从三代向下传递到第二代和第一代。

然而,无论是温伯格,还是Fox和Dobrescu的方法都没能成功。Fox和Dobrescu的方法最终反而增加了标准模型中无法解释的常数的数量,以解释三代粒子质量。温伯格的研究则把某些质量之间的关系搞错了,并且未能描述出高质量粒子是如何转变成低质量粒子的。Fox认为,温伯格之所以撰写这篇论文,可能是为了鼓励其他物理学家来接受这项挑战,并提前告知这个过程中会必然出现的问题。

Fox认为,这些问题并非是致命的打击,而是预示了现有理论需要得到更多调整的迹象。当然,还有一部分物理学家并不认同单独挑选出第三代粒子,以及短暂存在的粒子云这种方法。

能够支持或区分物质粒子质量理论的唯一可靠证据,就是发现预测出的每一种奇异粒子。大型强子对撞机(LHC)还没有发现任何异常,但Fox仍保持乐观,期待它们总有一天会出现。他认为一些探索罕见的粒子转换的实验(比如当费米实验室的Mu2e上线之后,可以研究μ子到电子的衰变)最有可能间接探测到中间粒子,并动摇标准模型。

本文经授权转载自微信公众号“原理”。本文编译自Charlie Wood于2020年3月30日发表在Quanta Magazine的文章:Why Do Matter Particles Come in Threes? A Physics Titan Weighs In. 原文链接:https://www.quantamagazine.org/why-do-matter-particles-come-in-threes-a-physics-titan-weighs-in-20200330/

其他参考来源:

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.101.035020

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.17.1854

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1126-6708/2008/08/100/pdf

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