高能物理学新突破,物质起源之谜正在被揭开!重新理解对称性破缺

老胡懂点星 2025-02-25 03:41:33

欧洲核子研究中心(CERN)过去几十年一直在寻找标准模型(SM)之外的新物理,结果呢?没找到。这一次,西班牙的理论物理学家们给出了一个可能的新思路——宇宙在最初的高温环境下,超荷(hypercharge)对称性可能已经被自发打破,并且这和宇宙为什么是物质比反物质多有直接关系。

问题来了,超荷对称性到底是什么?

简单来说,标准模型的基本对称性之一就是 U(1)Y 超荷对称性。它在宇宙大爆炸后的高温状态下应该是完美存在的,直到宇宙膨胀冷却到一定程度,电弱对称性破缺,才变成今天的电磁力和弱核力。而西班牙团队提出的理论认为,在某些特定的非最小标量(scalar)扩展的情况下,超荷对称性可能在极端高温时就已经被破坏了。这是一种“逆对称性破缺”(inverse symmetry breaking),理论上颠覆了一种长久以来的假设——高温下对称性总是更加完美的。

如果这个猜想成立,那问题就变得相当有趣。

宇宙中为什么物质比反物质多?理论上,宇宙诞生时物质和反物质应该是对称的,后来却变成了几乎只有物质的世界,反物质去哪了?这就是重子不对称问题(baryon asymmetry),物理学家几十年来都在试图破解。

已有的理论框架里,一种可能性是“电弱重子生成”——在宇宙极端高温的早期,电弱对称性破缺的过程中,由于 CP 破坏效应,导致物质和反物质稍有不同,最终让物质占了上风。但这个机制要求相变是强一级的弱相变(strongly first-order phase transition),而标准模型(SM)本身无法满足这个条件。

换句话说,标准模型没法解释为什么我们活在一个充满物质的世界里。

而超荷对称性如果在早期宇宙中就已经被破坏,那事情就不一样了。

西班牙团队发现,如果有额外的标量粒子(rho 和 kappa 这两个新标量场),那么在极端高温环境下,超荷对称性可能先于电弱对称性被打破,而这会给宇宙的相变过程增加一个新的自由度。这个新的自由度可能会带来新的 CP 破坏机制,最终提供一个新的生成重子不对称的通道。

这些标量场从哪儿来?Zee-Babu 模型。

Zee-Babu 模型是一个标准模型的扩展,专门用来解释中微子质量的来源。标准模型里中微子是严格无质量的,但实验已经确认,中微子确实有质量,并且存在振荡现象。所以标准模型得扩展,Zee-Babu 就是其中之一。

Zee-Babu 模型额外引入了带电的标量粒子 kappa 和 rho,它们可以通过环图(loop diagrams)给中微子提供质量。这套机制本来是用来研究中微子物理的,没想到西班牙团队发现,它其实还可以让超荷对称性在宇宙早期被破坏,进而影响重子不对称。

所以,一箭双雕。

这个机制不仅能解释中微子质量,还能解释为什么宇宙是物质多反物质少。

当然,问题也来了。

第一,能不能实验验证?

目前来说,超荷对称性破缺发生在极端高温(比 LHC 碰撞能量高很多),要直接观测是不可能的。但是,这些额外的标量粒子 rho 和 kappa 本身是可以通过实验寻找的。

这张图展示了 rho 和 kappa 这两个新标量粒子的优选质量范围,它们是标准模型(SM)标量扇区的扩展。过去的 LEP 和 LHC 已经探测并排除了一部分可能的质量范围,但仍有一部分(黄蓝区域)是可行的。图中的颜色表示从超荷破缺的宇宙过渡到当前宇宙状态的强度,该强度由希格斯真空期望值与相变温度的相对大小决定。核心结论是:高能对撞机依然是探索这一物理机制的重要工具,它可能帮助我们找到标准模型标量扇区的扩展,并进一步揭示宇宙重子不对称的起源。

LEP(大型电子对撞机)和 LHC(大型强子对撞机)已经排除了一部分参数空间,但黄蓝区域仍然是开放的,也就是说,某些能量范围内 rho 和 kappa 仍然可能存在。如果未来的对撞机,比如 FCC(未来环形对撞机)或者更高能的 muon collider 能探测到这些粒子,那就可以间接验证这个理论的合理性。

第二,这是不是唯一的可能?

理论物理学里,从一个模型推出一个结论不难,难的是证明这是唯一可能的路径。西班牙团队的研究是基于 Zee-Babu 扩展模型,但类似的“非最小标量”理论还有很多,比如左-右对称模型(Left-Right Symmetric Model),或者其他辐射性中微子质量模型(Radiative Neutrino Mass Models),它们是不是也能实现同样的效果?这仍然是开放问题。

第三,这对标准模型意味着什么?

如果这个理论是正确的,那就意味着标准模型之外的物理不仅存在,而且是宇宙演化过程中不可或缺的一部分。标量场在高温环境下的行为可能比我们之前认为的更加复杂,对称性破缺的方式也可能不仅仅是“从高温对称到低温破缺”这么简单。

更进一步,这可能会影响到强 CP 问题(Strong CP Problem)。为什么强相互作用(QCD)几乎完全不违反 CP 对称? 这是物理学上的另一个大谜团。西班牙团队认为,超荷对称性破缺可能与此有关,但具体如何联系,还需要进一步研究。

如果超荷对称性在宇宙早期就已经破缺,那我们对宇宙的理解可能需要调整。

这不仅可能解释中微子质量来源,还可能提供全新的重子不对称生成机制,甚至可能帮助解决强 CP 问题。更重要的是,这些额外的标量粒子 rho 和 kappa 可能就在实验范围内,未来的高能对撞机完全有可能找到它们。

如果找到了,那就是颠覆性的发现。

如果找不到,那也说明这条路未必是对的,物理学家们需要另辟蹊径。

但无论如何,物理学又向前迈了一步。

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评论列表
  • 2025-02-25 17:56

    作用(付出)与反作用(回报),做好(强)自己。物理说实验、文献报告, 天地人都是变化不均匀的电磁场,只是大小而异。 万有力与电磁力的统一是:物体(粒子、星球)之间不但有引力还有斥力,二者相互依存、相互转换,都是电磁力,质量也跟随变化。中子、原子是带电的,物体是带电的。物体内外都有变化的电参数,还有变化的机械参数。能解释太多的现象,包括人类社会现象。宇宙、地球、动植物是个大化工厂。 黑洞是一台非常大的水泵(风机) 真空有电流 时间是事物变化过程! 光内外同样有引斥力及转作用 有作用力就有反作用力,是基本平衡的,多善出少入积德。宇宙有平衡法则 从黑洞到量子,再到人都会纠缠,光子内外也有引斥力。

  • 2025-02-26 11:22

    天衍五十,遁去其一!

  • 2025-03-01 00:04

    中微子有质量这是大事件,完全没有看到报道。标准模型理论外物理的存在根本不用讨论。

老胡懂点星

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