第五种基本力可能确实存在 诸平 标准模型的粒子和相互作用玻色子。图片来源：Particle Data Group 据《今日宇宙》( Universe Today )2019年11月27日提供的消息，第五种基本力可能确实存在，但人们至今尚未找到它。 宇宙由四种基本力控制，这四种力分别是重力、电磁力和强弱核力。这些力推动着我们周围事物的运动和行为。但是在过去的几年中，越来越多的证据表明存在第五种基本力。虽然新的研究还没有发现第五种力，但是新研究表明我们仍然没有完全理解这些宇宙力。 基本力是粒子物理学标准模型的一部分。该模型描述了所有量子化微粒，包括电子，质子，反物质和其他。夸克，中微子和希格斯玻色子都是这种模型的一部分。 该模型中的“力（force）”一词有点用词不当。在标准模型中，每个力是一种载玻色子的结果。光子是电磁的玻色子。胶子是强相互作用的载体玻色子，而称为W和Z的玻色子则是弱相互作用的玻色子。从技术上讲，重力并不是标准模型的一部分，但假设量子引力具有一个称为引力子的玻色子。我们仍然没有完全理解量子引力，但是一个想法是引力可以与标准模型结合起来以产生一个大统一理论（grand unified theory，GUT）。 人们发现的每个粒子都是标准模型的一部分。这些粒子的行为与模型非常精确地匹配。科学家一直在寻找标准模型之外的粒子，但到目前为止，他们从未发现任何粒子。标准模型是科学理解的胜利，它是量子物理学的顶峰。 但是研究人员已经开始研究标准模型它存在一些严重的问题。下图是 星系的观察表明暗物质的分布。 Observations of galaxies show the distribution of dark matter. Credit: X-ray: NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland/D.Harvey NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Optical Lensing Map: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland) and R. Massey (Durham University, UK) 首先，我们现在知道标准模型无法以我们认为的方式与重力结合。在标准模型中，基本力在较高的能量水平下“统一”。电磁和弱电结合成电弱（electroweak），而电弱与强电结合成为电子核力（electronuclear force）。在极高的能量下，电子核力和重力应统一。粒子物理学中的实验表明，统一能（unification energies）不匹配。 更大的问题是暗物质的问题。最初提出暗物质来解释为什么星系外缘的恒星和气体运动得比重力预测的快。现有的万有引力理论是错误的，或者星系中一定有一些看不见的（暗的）质量。在过去的50年中，有关暗物质的证据变得非常有力。研究人员已经观察到暗物质如何将星系聚在一起，如何在特定星系中分布以及它的行为。已知它与常规物质或自身之间的相互作用不强，并且在大多数星系中占了大部分质量。 但是在标准模型中没有粒子可以构成暗物质。这有可能是暗物质可以作出的东西，如小黑洞，但天文数据并不真正地支持这一想法。暗物质很可能是由尚未发现的一些微粒构成的，这是标准模型无法预测的。 再就是暗能量问题。对遥远星系的详细观察表明，宇宙正在以不断增加的速度扩展。似乎有某种能量在推动这一过程，但我们并不知道如何做到的。这种加速可能是时空结构的结果，时空结构是一种导致宇宙膨胀的宇宙学常数。这可能是由尚未发现的某种新力所驱动的。不管暗能量是什么，它占宇宙的三分之二以上。 所有这些都表明标准模型充其量是不完整的。宇宙运作的方式从根本上缺少某些东西。从超对称到尚未发现的夸克，已经提出了许多解决标准模型的想法，但是一个想法是存在第五种基本力。这种力将拥有自己的载体玻色子（carrier boson(s)）以及除我们发现的粒子以外的新粒子。目前， 我们对宇宙的大多数并不了解。因为宇宙中暗能量（Dark energy）占69%;暗物质（Dark matter）占26%,正常物质（Normal matter）只占5%。 第五力还将以与标准模型相矛盾的微妙方式与研究人员观察到的粒子相互作用。这使研究人员得出了一篇新论文，声称有这种相互作用的证据。详见A.J. Krasznahorkay, et al. New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle. arXiv:1910.10459v1 \\ : arxiv.org/abs/1910.10459 和下面的论文 A.J. Krasznahorkay, et al. Observation of Anomalous Internal Pair Creation in 8 Be: A Possible Signature of a Light, Neutral Boson. arXiv:1504.01527v1 \\ : arxiv.org/abs/1504.01527 该论文研究了氦4核(helium-4 nuclei)衰变的异常现象，它建立在对铍8(Beryllium-8)衰变的早期研究的基础上。铍8( 8 Be）的原子核不稳定，衰变为氦4( 4 He)的两个原子核。在2016年，研究小组发现铍8的衰变似乎稍微违反了标准模型。当原子核处于激发态时，它会在衰变时发出电子-正电子对(electron-positron pair)。在较大角度观察到的电子-正电子对数量高于标准模型的预测值，这被称为原子异常（Atomki anomaly）。 有许多可能的异常解释，包括实验错误，但其中一种解释是由名为X17的玻色子引起的。它将是质量为17 MeV的（至今未知）第五基本力的运载玻色子。在新论文中，研究小组发现了氦4衰变的相似差异。X17粒子也可以解释这种异常。详见A.J. Krasznahorkay, et al. New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle. arXiv:1910.10459v1 \\ : arxiv.org/abs/1910.10459 . 虽然这听起来很令人兴奋，但研究者提醒有必要保持谨慎。当您查看新论文的细节时，会有一些奇怪的数据调整。基本上，研究团队假设X17是准确的，并表明可以使数据适合其模型。证明新模型可以解释异常，并且与之前有关模型对异常的解释有所不同。但是，也有其他可能的解释。如果X17确实存在，那么研究者也应该在其他粒子实验中也看到过它，但并没有找到它。所以说这种“第五力”的证据仍然很弱。我们深知标准模型并没有完全相加，这意味着有一些非常有趣的发现正在等待发现。上述编译仅供参考，不妥之处，敬请指正。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。 A new framework could aid the search for heavy thermal dark matter
LHCb 发现可能偏离标准模型的新提示 诸平 Credit: CERN 据 物理学家组织网 （ Phys.org ）2017年4月18日报道，LHCb实验发现了 一些粒子衰变的 有趣异常。 如果这些异常得到证实,这将是 粒子物理学的标准模型未曾预测到的 一种新物理现象的迹象。 观察到的信号仍然在 统计学意义上 是有限的,但从早期的研究来看强化了类似的迹象。 即将到来的数据和后续分析将确定这些提示是否确实就是标准模型 或统计涨落( statistical fluctuation) 的瑕疵。更多信息请浏览： Today,in a seminar at CERN, the LHCb collaboration presented new long-awaited resultson a particular decay of B 0 mesons produced in collisions at theLarge Hadron Collider. The Standard Model of particle physics predictsthe probability of the many possible decay modes of B 0 mesons, andpossible discrepancies with the data would signal new physics. Inthis study, the LHCb collaboration looked at the decays of B 0 mesonsto an excited kaon and a pair of electrons or muons. The muon is 200 timesheavier than the electron, but in the Standard Model its interactions areotherwise identical to those of the electron, a property known as leptonuniversality. Lepton universality predicts that, up to a small and calculableeffect due to the mass difference, electron and muons should be produced withthe same probability in this specific B 0 decay. LHCb finds insteadthat the decays involving muons occur less often. Whilepotentially exciting, the discrepancy with the Standard Model occurs at thelevel of 2.2 to 2.5 sigma, which is not yet sufficient to draw a firmconclusion. However, the result is intriguing because a recent measurement byLHCb involving a related decay exhibited similar behaviour. Whileof great interest, these hints are not enough to come to a conclusivestatement. Although of a different nature, there have been many previousmeasurements supporting the symmetry between electrons and muons. More data andmore observations of similar decays are needed in order to clarify whether thesehints are just a statistical fluctuation or the first signs for new particlesthat would extend and complete the Standard Model of particles physics. Themeasurements discussed were obtained using the entire data sample of the firstperiod of exploitation of the Large Hadron Collider (Run 1). If the newmeasurements indeed point to physics beyond the Standard Model, the larger data sample collected in Run 2 will besufficient to confirm these effects. Explorefurther: How universal is (lepton) universality? Moreinformation: LHCb statement: lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#RKstar LHCb is an experiment set up to explore what happened after the Big Bang that allowed matter to survive and build the Universe we inhabit today
【 按一下 】 【 开 】 国产007写毕业论文哪有不翻来覆去地搬弄修改呢！ 前一个版本 ，老师的意思，好像觉得咋也不像毕业论文那么回事。。 。不涂来改去，也没有这一大板水贴。 【 连按两下 】 叮当！ 必须说明，灌水过程中，除了已经标注的文献以外，严重参考过: 维基百科; 和李淼老师在 弦论通俗演义 或者成书 《超弦史话》 前头关于量子场论的话； 还有，Paul Langacker的 百科文章 Grand unification ，有时间，计划干脆把全文翻译一下； 还有还有，从二叔前辈 的 博文 中见到的讨论LIX哲学问题的两个好词“笛卡尔路线”和“培根路线”。 【 关 】 【 为什么要在文本编辑器中加入一个地图功能呢？呢？昵？常用？不常用？ 】 现代粒子物理学 的起源 可追溯至 19 世纪末 20 世纪初期： X 射线 ( Wilhelm Röntgen , 1895) 及放射性 ( Henri Becquerel , 1896) 和电子 (J. J. Thomson, 1897) 的发现，大自然的亚原子物理基础显露出冰山一角；相对论 ( r elat ivity ) 的提出和量子力学 ( quantum mechanics ) 的建立滋生出蓬勃发展的现代自然科学。为了看清楚(探测)小尺度的结构，我们需要一个分辨率 达到同样尺度的“探针”。简单地来说，按照物质波的想法，物质粒子的德布罗意波长为 其中， 是普朗克常数。光学显微镜的分辨能力有赖于光的波长 ( , 是孔径角 ) ，类似地，在亚原子尺度，我们必须采用大动量的 “ 探针 ” 以达到所需的分辨能力。因此，“ 粒子物理学 ”也被称为“ 高能物理学 ”。常数 表达了此领域物理的特征， 会 在工作中频繁出现。为了使表述简便、显得美观，不失一般性，粒子物理广泛采用 Lorentz–Heaviside 单位制 ( ) 。比如，我们可以从下面这个常数 来看能量标度及其对应的尺度。 众所周知，大型正负电子对撞机 ( Large Electron–Positron Collider, LEP ) 于 2000 年关闭之前，达到的最高对撞能量 209 GeV ，是目前高能物理精确测量所达到的最大能标。换句话说，实验对粒子物理理论进行的精确检验已深入到小尺度 的范围。 量子场论 (quantum field theory) 是一套用于构建场的量子力学模型的数学形式和概念框架。相对论性的量子场论(relativistic quantum field theory)接受了经典场论以场描述物理的想法；继承了量子力学的一般原理；拉氏量满足整体庞加莱对称性的要求。 在量子力学建立之后不到两年，物理学家的课题已必须处理有粒子数改变的系统，如：自发辐射。这促使人们对当时唯一了解的一类经典场——电磁场——施加正则量子化，导致了量子场论的出现。量子场论的研究从约旦(Pascual Jordan)的早期探索和狄拉克(P. A. M. Dirac)的辐射量子化及自旋为1/2的相对论性的场方程(Dirace quation)开端。在1940年代，由贝特(H. A. Bethe)，施温格(J. Schwinger)，朝永振一郎(Sin-Itiro Tomonaga)，费曼(Richard P. Feynman)和戴森(F. Dyson)等人完成的量子电动力学(quantum electrodynamics, QED)，在今天来说，仍然是最精确的物理理论。QED是一种描述现实的最简单的量子场论，它在后续粒子物理理论的构建中，自然地被借鉴和效仿。而到1970年代Leo Kadanoff, Michael Fisher和Kenneth G. Wilson发展的重正化群(renormalization group)及有效场论(effective field theory)，量子场论已走向成熟 。 在人类经验活动所及的能区，我们已知存在于大自然的力，按其相互作用强度的特征数量级，可分为强力 ，电磁力 ，弱力 ，和引力 。旨在描述前三种微观相互作用的 粒子物理标准模型 ( standard model of particle physics, SM ) 就是一个相对论性的量子场论范例。其拉氏量的构造基于 这样一种定域规范对称性 ( local gauge symmetry ) ；规范群 通过 BEH 机制 ( Brout-Englert-Higgs mechanism ) 自发对称性破缺 ( spontaneous symmetry breaking, SSB ) 到 以成为一个贴近现实的理论。 't Hooft 于 1971 年又分别给出了在规范对称性是否自发破缺两种情形下，杨 - 米尔斯理论都是可重整化 ( renormalizable ) 理论的严格证明。 SM 以这种理论结构一代一代地安装了至今所发现的三代费米子，同时，以类似 CKM 矩阵的方式把可能的味混合参数化。 一个规范理论的规范群和群表示一旦选定，其规范相互作用形式就被唯一地确定到每一个群因子相应地留一个规范耦合自由参数的程度。规范不变性要求规范玻色子无初始质量项，似乎意味着规范理论所描述的相互作用都是长程力。而事实上，除电磁作用以外，强、弱作用均为短程力！前者由于有 胶子的自相互作用 以及长距离标度下量子色动力学 ( quantum chromodynamics, QCD ) 的非微扰 ( 强耦合 ) 效应。后者则是因为，在系统的真空态，理论的规范对称性发生了某种自发破缺，使得与弱作用这种短程力相对应的规范玻色子获得质量。 BEH 机制 是一种最简单的破缺机制，同时它预言存在一个自旋为 0 的新的基本粒子——希格斯粒子。理论的可重整化，使得 SM 甚至直到普朗克能标具有描述物理的潜力。 归根结底，物理是一门实验科学。在过去的几十年里，从 衰变实验的理论解释中提出来的四费米子相互作用理论 (Fermi, 1934) ，经数十人前后跨越 30 余年的原创工作所进行的修正和推广，很好地描述了带电流弱相互作用；结合 QED 立即建立起电弱统一理论 ( electroweak theory, 1964) ，再与描述强相互作用的 QCD 一起， SM 作出的理论预言或者对现象的解释， 至今 与加速器上的几乎所有实验事实相一致 ： 1967 年预言了 弱中性流的存在 (CERN, 1973) 及其 宇称破缺强度 (SLAC, 1978), 和弱规范玻色子 的质量关系 (1983) ； 1970 年 按照 GIM 机制 预言 了粲夸克 存在 (SLAC , BNL , 1974) ； 1962 年预言了 胶子存在 (DESY, 1978) ； 1973 年预言了 顶夸克存在 (1995) ，而且，基于理论和实验的一致性，还间接地验证了辐射修正和重正化的想法，对顶夸克的质量也给出一个成功的预言； 1970 年代预言了 中微子的存在 (2000) 。 除了正在实验 上接受诊断的 BEH 机制以外，在尺度下限小于 cm 的范围内， SM 无疑是大自然三种微观相互作用的一个近似正确的描述 。 历史地看，在任何时代，最重要的知识永远是等待探索的未知。已取得伟大 成就的 SM 备受瞩目，然而， 它 看起来甚至几乎不可能是关于强、弱和电磁三种相互作用的终极理论。 人们预期，在比过去经验更高的能标，比如 ~TeV, GUT 能标 ( GeV), 能标 ( GeV) 将不得不在 SM 中引入高维项 ( 不可重整化 ) 以囊括新出现的微观物理现象。从这个意义上讲，好比早期的费米理论， SM 也是一种 低能有效理论 。 如果对理论的预言能力及其结构美学提出更高的要求， SM 立即陷入如下 困境 ： 电弱对称性破缺机制尚未被最后证实； 为了与中微子具有很小的质量这一事实保持一致，它可以有多种不同的扩展方式； 没有对宇宙中暗物质、暗能量的观测结果给出令人满意的解释； SM 不能告诉我们，为什么电荷量子化。换句话， SM 没有彻底地解释原子的电中性； 要求若干模型参数具有一种极不稳定的精细调节； SM 描述强、弱和电磁三种基本微观相互作用的本性，彼此很不相同，其理论构架看上去比较复杂； 没能把引力作为一种量子力学的描述包含在内； 没有 … 若以一个终极理论的要求来看， SM 相当大的任意性还表现在，它的自由参数之多 ：不算入基本粒子电荷配置的自由度，最成熟版本的 SM 也至少包含 19 个先验的自由参数 ： 3 个耦合； 9 个费米子质量； 3 个夸克混合角和 1 个 CP 破缺的 KM 相位； 1 个希格斯粒子质量； 1 个独立的规范玻色子质量和一个极小的 QCD 真空角。越来越多的实验证据 表明，实际上，中微子有质量，存在非零的混合角。如果中微子是轻子数守恒的狄拉克费米子 ( Dirac fermion ) ，就需要为其质量及其混合再引入 7 个参数；若中微子是轻子数不守恒的马约拉纳费米子 ( Majorana fermion ) ，则需要相应地引入 9 个参数 。 我们可以把这一错综复杂的局面整理成 ：规范对称性问 题 ，费米子问题，希格斯 / 级列问题 ( hierarchy problem ) ，强 CP 问题，引力问题和一些空缺要素 ( 用以解释中微子质量， 正反重子数不对称 ，暗能量，暗物质，和味改变中性流、质子衰变、电偶极矩的压低等现象的机制 ) 等若干待解决的问题。 一方面，解决这些问题中的任何一个或几个都是探索超出标准模型新物理的 有力动机 ；另一方面，所有这些问题都暗示， SM 应该是某种更 为根本的基础理论 ( underlying theory ) 的部分特征。 从各种角度 超出标准模型 ，进行的新物理探索有相当多的可能性。根据物理学家所采取的策略，所有可能的新物理可以大致地分成两种类型：“培根路线的” ( bottom-up ) 和 “笛卡尔路线的” ( top-down ) 。所谓“培根路线的”新物理探索，是针对上述个别问题，通过扩展标准模型，并结合实验进展各个击破，企图归纳出全部新物理效应的做法。这种类型的新物理探索当然有很多，如：引入超对称 ( supersymmetry ) 、动力学对称性破缺 ( dynamical symmetry breaking ) 、扩展的希格斯部分 ( extended Higgs sectors ) 、小希格斯模型 ( little Higgs models ) 、大额外维和扭曲空间 ( large and warped extra dimensions ) 、费米子的代对称性 ( family symmetries ) ，和 TeV 能标下扩展的规范对称性等等。所谓“笛卡尔路线的”新物理探索，则是直接寻找那种以 SM 为低能标极限的更为根本的基础理论，这种理论足以克服或者本身就不存在 SM 的 上述 问题，企图通过演绎推导得到各种新物理效应。在现今看来，有可能发展成为这种基础理论的有大统一理论(Grand Unified Theory, GUT) 或超弦理论(superstring theory) 。弦理论描述物理具有许多优于场论的先天特性，但是，现在，其研究还处在一个盲人摸象的阶段，远未完善。 直至 2000 年代的实验进展，除了在强子对撞机上不断填充了 SM 所预言的粒子谱，和在轻子对撞机上对 SM 有了进一步的精确检验以外，把各种新物理的参数空间一步一步限制到了更小的范围，但仍然缺乏足以判决这两类新物理中众多理论尝试的 确凿证据 或证伪。为了推进上述问题的解答，在更高的能标去探测和积累各种可能的新物理效应是最行之有效的办法。欧洲核子中心 ( European Organization for Nuclear Research, CERN ) 于 1994 年正式批准建造一个大型的质子 - 质子对撞机—— 大型强子对撞机 ( Large Hadron Collider, LHC ) 。 LHC 自 2008 年 9 月 10 日第一次启动完成了首次测试； 到 2009 年 11 月 30 日， LHC 以 1.18 TeV 的质子束流能量刷新世界纪录； 2010 年 3 月 30 日，两束质子束流在 7TeV 质心能下对撞，终于开启了 LHC 时代； 2011 年 4 月 21 日， LHC 以 的峰值亮度刷新世界纪录。 自 2013 年 2 月 14 日起， LHC 长期关机～ 2 年，进行维护和升级。 此前，LHC都运行在质心能8 TeV以下，预计 预计届时质子 - 质子对撞质心能将可达到 ~ 13-14 TeV ，峰值亮度将可达到 的设计指标。 ________________ ________ ____ ___ 在今天的高能物理中，引力由于其相互作用强度太微弱通常已被忽略掉，目前还未找到一个能够成功描述引力微观相互作用的量子理论也是原因之一。根据有效场论的想法和基本物理常数简单的量纲匹配，我们当然知道，当能标达到普朗克质量标度 附近时，四种相互作用的强度应该显得差不多。 分别对 SM 每一类问题的详细阐述可参看 Paul Langacker, The Standard Model and Beyond, 2009, (Taylor Francis). __ __ __ _ ___ _ _ ____ _ __ _____ ____ ___ J. 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Luboš Motl是位很知名的理论物理研究者，罗杰斯大学博士，2004-2007年为哈佛大学助理教授，2007年回到祖国捷克。 他出名是因为他的介绍理论物理的博客，他也是全球变暖运动的反对者。去年“中微子超光速”新闻发布之后，他立即分析了可能的误差原因。 他这次博客的文章是指出希格斯粒子的质量（125GeV）和标准模型并不很一致。链接： http://motls.blogspot.com/2012/07/why-125-gev-higgs-boson-isnt-quite.html （可能需要翻墙；打开速度较慢） 看来结果不是那么简单（先不说5 sigma是不是足够大）。 摘录： I was shocked by an article written for Wired whose basic point – affecting the formulation of pretty much every sentence in the text – is a downright lie. In its most concentrated form, the lie is contained in the following sentence: Furthermore, all indications are that scientists will find that the Higgs weighs 125 gigaelectronvolts (GeV) – or about 125 times more than a proton – which means that it sits exactly where the Standard Model expected it to be. 125GeV – the expected Higgs mass plus minus one GeV – is really 133 times the proton mass, not 125 times the proton mass, but that's just the smallest problem with the sentence above. What's more important is what Adam Mann wrote that the value says about SUSY. In reality, 125GeV sits exactly where the Minimal Supersymmetric Standard Model allows the Higgs boson to sit but it sits outside the interval that allows the Standard Model to be a complete and consistent theory of all non-gravitational interactions in Nature. The sentence above is exactly the opposite of the truth, it is a lie. It's partly due to Adam Mann's being a sucking journalist that may be blamed for the wrongness of the whole text; and it's partly due to his previous discussions with hardcore dishonest jerks such as one codenamed Lawrence Krauss that leads to the propagation of this kind of utter misinformation.
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