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小心求证之前 新粒子如何被大胆假设

网络整理 2021-06-10 22:15

  小心求证之前 新粒子如何被大胆假设

  粒子物理系列报道③

  物理学家盖尔曼深信物理规律的对称性是自然界的最普遍法则之一。1961年,他根据对称性思想,把有相近性质的强作用基本粒子分成了一个个族,并认为每个族应有8个成员。

  但是根据当时的实验结果,有一个族的基本粒子只有7个成员,盖尔曼据此大胆预言,还存在一个未被发现的新粒子,第二年果然在实验中找到了这个新的基本粒子。

  据每日科学网站6月1日消息,欧洲科学家团队利用大型强子对撞机(LHC)揭示了宇宙大爆炸第一个0.000001秒内发生的新细节,即第一个微秒内一种特殊的等离子体发生了什么,这一发现引发了科学家的关注。

  大型强子对撞机在探索微观世界构成方面发挥着巨大的功效,也是探索新粒子的重要物理设备。随着粒子物理标准模型的发展,许多被预言的基本粒子得到了验证。但在粒子被实验验证之前,科学家是怎样预言新粒子的呢?

  源于对数学的探索

  20世纪20年代,英国物理学家狄拉克正致力于研究相对论量子力学,他要建立一种对时间和空间坐标来说都是线性相对论性的波动方程。

  受到奥地利物理学家泡利在量子理论中提出的“泡利矩阵”的启发,狄拉克把2行2列的矩阵演变为4行4列矩阵,于是得到了这个以后被称为“狄拉克方程”的电子波动方程。利用这个方程推出的粒子高速运动的许多性质,都在实验中得到了证实,它把量子力学中原本各自独立的重要实验事实统一了起来。

  但狄拉克方程对应的本征态有负能解,是把不可思议的负能态排除出去,还是接受它以保持方程的完美性?狄拉克勇敢地选择了后者,他对负能态的物理图景进行了大胆的设想。

  首先,他革新了“真空”概念,提出了真空是被填满的“负能电子海”的假说。接着,他进一步思考,既然全部填满的负能电子海相当于真空,那么从电子海中跃出一个电子又相当于什么呢?那就会出现一个正能态电子和一个负能态的空穴。他认为激发出来的这个正能态电子就是普通电子,带有一个单位的负电荷,而电子被激发出以后在电子海留下的这个空穴,少了一个负值能量,带一个正值能量。他起初认为这就是“质子”,不过这个奇怪的“质子”,质量却比一般质子要小得多,这是难以想象的。

  狄拉克从对称美的思想出发,指出从数学上来看,这个带正值能量的奇怪的“质子”,其质量必须与电子质量相同,从而大胆提出了“反物质”的假说:这个奇怪的“质子”是真空中的反电子,即正电子,他同时还提出了崭新的电荷共轭对称的概念。

  1932年,美国物理学家安德森在研究宇宙射线时果然发现了狄拉克预言的正电子。物理学界引起了轰动,这启发人们去寻找其他粒子的反粒子。

  人们逐步认识到,各类基本粒子都有相应的反粒子存在,这是自然界的一条普遍规律。

  狄拉克在回顾自己做出的关于反粒子的发现时指出:“这个工作完全得自于对数学的探索。”

  1933年,狄拉克因发现“狄拉克方程”获得诺贝尔物理学奖。

  来自对物理规律的深信

  20世纪50年代,已发现的基本粒子有数百种,对这些粒子进行分类,找出它们性质之间的内在联系,研究这些基本粒子的性质和结构,寻找比基本粒子还要“基本”的组元,成为高能物理学研究的热点。

  在这类研究中,物理学家盖尔曼深信物理规律的对称性是自然界的最普遍法则之一,对称性实际上体现了自然界存在的内部联系和规律的和谐。因此,盖尔曼相信所有的基本粒子都可以根据它们所具有的不同对称性来进行分类。

  1961年,盖尔曼根据对称性思想,把有相近性质的强作用基本粒子分成了一个个族,并认为每个族应有8个成员。

  但是根据当时的实验结果,有一个族的基本粒子只有7个成员,盖尔曼据此大胆预言,还存在一个未被发现的新粒子,第二年(1962年)果然在实验中找到了这个新的基本粒子——η°介子。

  盖尔曼就此一发不可收拾:他预言了另一个被称为Ω-的新粒子的存在。1964年1月,美国布鲁海文实验室的斯米欧在气泡室的成千上万张照片中找到了Ω-粒子衰变时留下的痕迹。盖尔曼的预言终于实现了!

  η°介子和Ω-粒子的相继发现,证实了盖尔曼理论的正确性,从而确立了对称方法在基本粒子研究中的重要地位。

  根据对称理论,存在一个三维的基础表示——在这个族里应该有3个粒子,只能带有分数电荷,即2/3、-1/3、-1/3的单位电荷,然而分数电荷却从来没有被观测到。