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天津天气,三代粒子便是咱们世界中粒子的悉数,不多,不少-雷火电竞安卓app

admin 雷火电竞 2019-11-04 123 0

世界,在根本层面上,只是由一些不同类型的粒子和场组成,它们存在于时空结构中,而时空结构又构成了其他的空白空间。尽管世界中或许有一些咱们不了解的组成部分,比方暗物质和暗能量,但正常物质和辐射不只被很好地了解,而且被咱们最好的粒子理论规范模型完美地描绘。

  • 上图:规范模型的粒子,质量(mev)在右上角。费米子组成左面的三列(三代);玻色子填充右边的两列。假如像镜像物质这样的估测性主意是正确的,那么这些粒子中的每一个都或许有镜像物质对应物。

规范模型有一个杂乱但有序的结构,有三代粒子。为什么是三代粒子呢?粒子族显现为一组3,以电子、μ子和τ族为特征。终究两个是不安稳和迂腐的。所以我的问题是:高阶粒子是否存在?假如是存在的话,这些粒子能能量将是什么样的呢?假如没有,咱们怎样知道它们不存在。这是个大问题,让咱们一起来讨论。

  • 上图:规范模型的粒子和反粒子现在都被直接勘探到了,终究一个坚持的粒子,希格斯玻色子,在本世纪早些时候落在了大型强子对撞机上。悉数这些粒子都能够在LHC能量下发生,而且粒子的质量导致根本常数,这些常数是完美描绘它们的肯定必要的。这些粒子能够用规范模型下的量子场论来描绘,但它们不能描绘悉数,比方暗物质。

规范模型中有两类粒子:费米子,其自旋为半整数(±1/2,±1/2,±2/2等),其间每个费米子都有反物质(反费米子)对应物;玻色子,其自旋为整数(0,±1,±2等),既不是物质也不是反物质。玻色子便是这样:1个希格斯玻色子,1个玻色子(光子)标明电磁力,3个玻色子(W+,W-和Z)标明弱力,8个胶子标明强力。

玻色子是能使费米子相互效果的带着力的粒子,但费米子(和反费米子)带着根本电荷,这些电荷决议了它们遭到哪些力(和玻色子)的影响。当夸克与悉数三种力耦合时,轻子(和反轻子)感觉不到强壮的力,中微子(和反中微子)也感觉不到电磁力。

  • 上图显现了规范模型的结构(与依据4x4平方的粒子的更了解的图画比较,以更完好、更少误导的方法显现要害联系和方法)。特别是,这张图描绘了规范模型中的悉数粒子(包含它们的字母名、质量、自旋、惯用手、电荷以及与规范玻色子的相互效果:即与强电和弱电的相互效果)。它还描绘了希格斯玻色子的效果和电弱对称性损坏的结构,说明晰希格斯真空期望值是怎么损坏电弱对称性的,以及剩下粒子的性质是怎么随之改动的。留意,Z玻色子结合夸克和轻子,而且能够经过中微子通道衰变。

但规范模型最令人费解的当地或许是,与玻色子不同,费米子有“复制品”。除了组成安稳或准安稳物质的费米子粒子外,咱们还了解:

  • 质子和中子(由上下夸克和胶子的束缚态组成)
  • 原子(由原子核构成,由质子、中子和电子组成)
  • 以及电子中微子和电子反中微子(在核反应中发生,触及到从前存在的核组合的构成或衰变)。

每一种都有两代更重的粒子。除了3种颜色的上下夸克和反夸克外,还有魅力和奇特夸克加上顶部和底部夸克。除了电子、电子中微子及其反物质对应物外,还有μ子和μ子中微子,以及τ和τ中微子。

  • 上图:大型强子对撞机阿特拉斯勘探器中的四μ子候选事情。(从技术上讲,这种衰变触及两个μ子和两个反μ子)μ子/反μ子轨迹以赤色杰出显现,由于长寿命μ子比任何其他不安稳粒子传播得更远。大型强子对撞机所取得的能量足以发生希格斯玻色子;曾经的正负电子对撞机无法取得所需的能量。

由于某种原因,在规范模型中呈现了三个费米子粒子的复制,或者说一代又一代。这些粒子的较重版别不是由传统的粒子相互效果自发发生的,而是在十分高的能量下呈现的。

在粒子物理学中,只需你有满足的可用能量,你就能够创立任何粒子反粒子对。你需求多少能量?不管你的粒子质量是多少,你都需求满足的能量来发明它和它的同伴反粒子(它可巧总是和它的对应粒子有相同的质量)。从爱因斯坦的E= mc²,它具体说明晰质量和能量之间的转化,只需你有满足的能量,你就能够制作它们。这正是咱们怎么从高能磕碰中发生各种类型的粒子,比方世界射线或大型强子对撞机中发生的粒子。

  • 如图所示,衰变的b介子衰变为一种轻子对的频率或许比另一种更高,这与规范模型的预期相对立。假如是这样,咱们要么修正规范模型,要么在了解这些粒子的行为时参加一个新的参数(或一组参数),就像咱们发现中微子有质量时需求做的那样。

相同的道理,每逢你发明出一个不安稳的夸克或轻子(把中微子和反中微子放在一边),它们总是有或许经过弱相互效果衰变为一个较轻的粒子。由于悉数的规范模型费米子都耦合到弱力上,所以在下列任何粒子(古怪的、魅力的、底部的或顶部的夸克,以及μ介子或τ轻子)衰变为安稳的第一代粒子之前,它只需求一小部分时刻。

只需能量答应而不是被咱们世界中的任何其他量子规矩或对称所制止,较重的粒子总是以这种方法衰变。可是,最大的问题是,为什么会有三代粒子呢,这不是由理论动机驱动的,而是由试验成果驱动的。

  • 上图:第一次勘探到的μ介子,连同其他世界射线粒子,但由于其速度和曲率半径,其分量是数百倍。μ介子是被发现的较重一代的粒子中的第一个,一向追溯到20世纪30年代。

μ介子是费米子中最轻的,能够延伸到第一代粒子之外,当闻名物理学家i.i.rabi看到这个粒子的依据时,他惊呼道:“是谁命令的?”在接下来的几十年里,跟着粒子加速器变得越来越遍及,越来越充溢能量,像介子和重子这样的粒子,包含带有古怪夸克的粒子,以及后来被招引的夸克,很快浮出水面。

可是,直到20世纪70年代slac的markⅠ试验(一起发现了魅力夸克)的呈现,才呈现了第三代的依据:以τ子(和反τ子)的方法呈现。从那以后,咱们直接勘探到了规范模型中的每一个粒子,包含悉数的夸克、中微子和反中微子。咱们不只发现了它们,而且精确地丈量了它们的粒子特性。

  • 上图:世界中的根本粒子的其他质量决议了什么时候以及在什么条件下它们能够被发明,也描绘了它们怎么在广义相对论中曲折时空。粒子、场和时空的特性都是描绘咱们所寓居的世界所必需的。

依据咱们现在所知道的悉数,咱们应该能够猜测这些粒子是怎么相互效果的,它们是怎么衰变的,以及它们是怎么对咱们挑选研讨的任何粒子的横截面、散射振幅、分支比和事情率等发生影响的。

规范模型的结构使咱们能够进行这些核算,而规范模型的粒子含量使咱们能够猜测较重的粒子将衰变为哪些轻粒子。或许最有力的比方是z玻色子,它是介导弱力的中性粒子。z玻色子是已知的第三大质量粒子,其剩下质量为91.187gev/c²:几乎是质子质量的100倍。每次咱们创立一个Z-玻色子,咱们能够试验丈量它会衰变成任何特定粒子或粒子组合的概率。

  • 上图:在大型电子-正电子对撞机lep上,发生了不计其数个z玻色子,并丈量了这些z粒子的衰变,以重建z玻色子的哪一部分变成了各种夸克和轻子组合。成果标明,在45gev/c²以下不存在第四代粒子。

经过研讨咱们在加速器中发生的Z-玻色子的分数,衰减为:

  • 电子/正电子对,
  • μ介子/反μ介子对,
  • τ子/反τ子对,
  • 以及“隐形”通道(即中微子)

咱们能够确认有多少代粒子。事实证明,每30个z玻色子中就有1个衰变为电子/正电子、μ子/反μ子和τ/反τ对,而每5个z玻色子中就有1个衰变为不行见的。依据规范模型和咱们关于粒子及其相互效果的理论,转化为十五分之一的z玻色子(几率约为6.66%)将衰变为三种中微子中的每一种。

这些成果告知咱们,假如存在第四代(或更多代)粒子,其间每一代粒子,包含轻子和中微子,其质量都大于45gev/c²:已知只要z、w、希格斯粒子和顶部粒子超越这个临界值。

  • 上图:许多不同粒子加速器试验的终究成果现已明确地标明,z玻色子衰变为带电轻子的时刻约占10%,中性轻子衰变为带电轻子的时刻约占20%,强子(含夸克粒子)衰变为带电轻子的时刻约占70%。这与3代粒子共同,没有其他数字。

现在,没有什么能阻挠第四代粒子的存在,也没有什么能阻挠第四代粒子比咱们迄今所调查到的任何粒子都要重得多;理论上,这是答应的。可是试验上,这些对撞机的成果并不是约束世界中代代物种数量的仅有要素;还有另一个约束要素:在大爆炸前期发明的很多轻元素。

当世界大约一秒钟大时,规范模型粒子中只要质子、中子、电子(和正电子)、光子、中微子和反中微子。在开始的几分钟里,质子和中子终究会交融构成氘、氦-3、氦-4和锂-7。

  • 上图:大爆炸核组成猜测的氦-4、氘、氦-3和锂-7的丰度,调查成果显现在红圈内。请留意这儿的要害点:一个好的科学理论(大爆炸核组成)对应该存在和能够丈量的东西进行了稳健的定量猜测,丈量成果(赤色)与理论的猜测十分共同,验证了它并约束了代替计划。这些曲线和红线是针对3种中微子,或多或少会导致与数据严峻抵触的成果,特别是氘和氦-3。

但它们会构成多少呢?这只是取决于几个参数,比方重子与光子的比率,它一般被用来猜测这些丰度,由于这是咱们仅有改动的参数。

但咱们能够改动任何参数,咱们一般假设是固定的,例如中微子代代的数量。从大爆炸核组成,以及从大爆炸(世界微波布景)的余下辐射辉光的中微子印记,咱们能够得出定论,世界中有三个-不是两个或更少,而不是四个或更多代。

  • 上图:中微子数与cmb涨落数据匹配所需的拟合。由于咱们知道有三个中微子物种,咱们能够使用这些信息来揣度在这些前期的无质量中微子的温度等效性,而且抵达一个数目:1.96 K,不确认度仅为0.02 K。

明显,很有或许存在比咱们现在所知道的规范模型猜测的更多的粒子。事实上,考虑到世界的悉数组成部分,从暗物质到暗能量,从胀大到物质的来源,反物质的不对称性,得出没有额定粒子的定论实际上是不合理的。

可是,假如附加粒子作为附加的一代习惯规范模型的结构,则会有巨大的约束。它们不或许在前期世界中被很多发明出来。它们中没有一个能够比45.6 GeV/c²小。它们无法在世界微波布景或丰厚的光元素中留下可调查到的特征。

试验成果是咱们了解世界的方法,但这些成果与咱们最成功的理论结构相吻合的方法,是咱们怎么得出世界中还存在什么和不存在什么的定论。除非未来的加速器成果让咱们大吃一惊,不然三代粒子便是咱们的悉数:不多,不少,没人知道为什么。

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