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    从完成到成熟,标准粒子物理模型的漫漫长路

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      牛顿

      提问:标准粒子物理模型是否成熟?

      回答:标准粒子物理模型是否成熟,这完全取决于您对标准模型和“成熟”的定义。我的回答是“否”,但我会解释为什么很多人曾经说“是”(在某种意义上,“是”的答案可能比“否”的答案更有用)。

      从完成到成熟,标准粒子物理模型的漫漫长路

      图1:基本粒子标准模型

      “成熟”的定义

      事实证明,“成熟”在量子领域中有着令人惊讶的数学严谨定义。总的来说,如果理论可以解释通每个物理问题,那么这个理论就被认为是成熟的。注意,这与说该理论准确地描述了自然不同,N = 4 Super-Yang Mills理论无法描述自然,但它仍是成熟的。当我在20世纪90年代末学习标准模型时,标准模型有希格斯玻色子,但没有暗物质或中微子质量。中微子质量被认为超出了标准物理模型,暗物质也是。此外,重力也被认为是标准模型之外的物理学。

      从完成到成熟,标准粒子物理模型的漫漫长路

      图2:LHC上发现的希格斯玻色子

      现在,大多数人认为中微子质量属于标准模型的一部分,尽管暗物质仍被广泛认为超出了物理学范畴。大多数人现在认为重力也属于标准模型。就像20世纪90年代后期出现的那些无法解释的现象一样,标准模型是一种波动的可重整理论。这是“成熟”理论的常用定义。

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      所以,标准模型已经完成,只是比完全成熟的理论稍有欠缺,因为有些过程无法描述,但是在实践中无足轻重。标准模型可以预测高达10^30 GeV或更高的指数级高能量,但是超荷的电仪表耦合器可能表现不佳。当你了解了希格斯自耦合和汤川秀树(日本物理学家,曾获1949年诺贝尔物理奖)耦合后,可以知道理论中的某些过程是无法估量、不成熟的。

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      从“完成”到成熟

      上文提到的关于完成的定义是有限的。在20世纪90年代后期,中微子质量仍然处于试验性阶段,因此无法将其视为标准模型的一部分。众所周知,量子引力是一个需要在量子场论之外去了解的问题。暗物质已经相当成熟了,尽管它只是在最近二十年里由冷暗物质扩散出现。标准模型中的中微子质量通过不可重整的算子进行计算,这会导致标准模型在10^15GeV能级附近(在大统一理论尺度和普朗克尺度内)进行分解,其中量子引力非常重要。因此,标准模型无法依照任何合理的定义,分解过程可能产生于一个沉重的右手马约拉纳中微子,并成为可重整理论的一部分,但目前我们还没有这方面的直接证据(发现中微子无双β衰变将有力证明这一解释)。

      从完成到成熟,标准粒子物理模型的漫漫长路

      暗物质依赖新的物理学,是否将其包含在标准模型中是主观的。它需要一个新的粒子。村山斉(日本物理学家,在粒子物理学和宇宙学领域做出了杰出贡献)提出了一个新的最小标准模型,通过物理学来解释这些现象。请参阅新的最小标准模型。最后,量子引力是存在的。这很难理解,我们可以将波动的量子引力作为一种有效的场论,但是有些问题完全超出了我们在量子场论中对待关于爱因斯坦-希尔伯特项的理解。还有很多其他事情可能需要解释,但不是必须的,例如层次结构问题,强CP问题,重工问题和仪表器耦合统一问题。

      从完成到成熟,标准粒子物理模型的漫漫长路

      那么,问“标准模型成熟了吗”愚蠢吗?

      那么为什么人们曾经说标准模型成熟了呢?嗯,这是一个重要的说法,即没有必要在实验可接近的能量范围内出现新的物理。这对于明白什么是我们可能理解的自然非常重要。当你成为一位科学家时,最重要的事情是要明白在职业生涯中,有些问题可能有答案,有些问题可能没有答案。20世纪90年代的标准模型是成熟的这一事实,可能在高能物理真正陷入困境的时候起着重大作用。也许在人类的能力范围内,无法发现任何东西。

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      参考资料

      1.WJ百科全书

      2.天文学名词

      3. forbes-谷云菲

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