粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型收集了構(gòu)成物質(zhì)的所有基本粒子及其相互作用。不過，這個模型剛完成時，并非所有粒子都已被測量到，但一個接一個的實驗填補(bǔ)了這些空白。1983 年歐洲核子研究中心發(fā)現(xiàn)了 W 和 Z 玻色子，1995 年費米實驗室發(fā)現(xiàn)了頂夸克，最后一個是 2012 年在歐洲核子研究中心發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子，它是標(biāo)準(zhǔn)模型棺材上的最后一個釘子。
但是，粒子物理學(xué)家相信還有更多的東西等待發(fā)現(xiàn)。早在 1970 年代，他們就表示標(biāo)準(zhǔn)模型不夠好，因為它包含了三個不同的基本力，即電磁力、強(qiáng)力和弱力，粒子物理學(xué)家希望將它們統(tǒng)一為一種力。將這三種力結(jié)合起來的更好的理論被稱為大統(tǒng)一理論，我們可以通過假設(shè)比標(biāo)準(zhǔn)模型更大的對稱性來獲得該理論。大統(tǒng)一理論在已經(jīng)測試過的范圍內(nèi)再現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型，但在未經(jīng)測試的范圍內(nèi)出現(xiàn)了偏差。
我想說的是，大統(tǒng)一理論在當(dāng)時是一個合理的嘗試，因為對稱原理在過去的物理學(xué)中運作良好。標(biāo)準(zhǔn)模型本身是從對稱原理中誕生的，即使愛因斯坦本人不使用對稱論證，我們今天仍將他的理論理解為某些對稱性的實現(xiàn)。但這一次，更多的對稱性不起作用。
大統(tǒng)一理論做出預(yù)測，原子核的組成部分之一質(zhì)子是不穩(wěn)定的。從 1980 年代開始，一直有實驗在尋找質(zhì)子衰變，但我們卻始終沒看到這種情況發(fā)生。這排除了大統(tǒng)一理論的幾個模型，但也有一些模型為了與實驗結(jié)果兼容，選擇添加更復(fù)雜的成分。
接下來的問題是軸子，標(biāo)準(zhǔn)模型包含了一些必須通過實驗確定的參數(shù)，其中一個被稱為 θ 參數(shù)，實驗發(fā)現(xiàn)它為零或小到與零無法區(qū)分。如果它不為零，則強(qiáng)力將違反 CP 對稱性。但標(biāo)準(zhǔn)模型又沒有強(qiáng)制它為零，所以粒子物理學(xué)家添加了一種機(jī)制，允許這個參數(shù)存在較小的值，但這種修改的結(jié)果是存在一種新粒子，它稱為軸子。
不幸的是，事實證明軸子并不存在。如果軸子存在，中子星會很快冷卻，而我們可以觀測到這一現(xiàn)象。有了這一論點，最終軸子在 1980 被實驗排除。但物理學(xué)家并沒有放棄軸子，他們更改了理論，從而避開了該實驗的限制。1981 年，新型軸子被推出，現(xiàn)在仍有許多實驗在繼續(xù)尋找這些看不見的軸子。
粒子物理學(xué)家在 1970 年代提出的另一個有缺陷的想法是超對稱。超對稱假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)模型中的所有粒子都有一個伙伴粒子。不過這個想法在提出時就失敗了，因為這些伙伴粒子與它們所屬的標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子具有相同質(zhì)量。如果它們存在，它們就會出現(xiàn)在第一批粒子對撞機(jī)中。但它們并沒有出現(xiàn)，因此超對稱性被立即進(jìn)行了修改，以便伙伴粒子具有更高的質(zhì)量。產(chǎn)生重粒子需要高能量，所以需要更大的粒子對撞機(jī)才能看到它們。
1990 年代，第一個超對稱模型做出的預(yù)測在歐洲核子研究中心的大型電子正電子對撞機(jī)上進(jìn)行了測試，然后這些預(yù)測馬上被證偽了。超對稱再次被修改，然后又被更大的對撞機(jī)給否定。就這樣，物理學(xué)家繼續(xù)修改這些超對稱模型，以免與新數(shù)據(jù)發(fā)生沖突。
本文來自微信公眾號：萬象經(jīng)驗 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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