2021：这一年，物理学家们探索的问题：标准模型之外是什么？

探索宇宙真理的模型--标准模型。

欧洲核子研究中心（CERN）ATLAS探测器的八个环形磁铁。图源：Maximilien Brice。

这篇文章最初发表在《对话》（The Conversation）上，该出版物将本文推荐到Space的专家之声：专栏和见解（Expert Voices: Op-Ed & Insights).

亚伦-麦高文（Aaron McGowan): 罗切斯特理工学院（Rochester Institute of Technology）物理学和天文学首席讲师。

如果你问一个像我一样的物理学家解释这个世界是如何运转的，我不走心的回答可能会是：“它遵循着标准模型。“

标准模型解释了宇宙运行的基本物理原理。尽管实验物理学家们不断探究该模型基本原理的瑕疵，但它还是经受住了50多次围绕太阳的旅行。

除了少数例外，它站稳了脚，以接触的表现通过了一次又一次的实验测试。但是这个极其成功的模型有概念上的缺陷，这表明还有一些关于宇宙如何运作的知识需要学习。

我是一个中微子物理学家。中微子代表了标准模型中17个基本粒子中的3个，它们无时无刻不穿透着地球上的每个人。我研究中微子与正常物质粒子之间的相互作用的特性。

在2021年，世界各地的物理学家都做了一些实验，研究了标准模型。团队们更精准地测量了模型的基本参数，其精确度是前所未有的。其他人则调查了知识的边缘，发现最好的实验测量结果与标准模型的预测不完全吻合。最后，各小组构建了更强大的技术，旨在将模型推向极限，并可能发现新的粒子和场。如果这些努力成功，它们可能会在未来导致更完整的宇宙理论。

物理标准模型允许科学家对世界如何运作做出令人难以置信的准确预测，但它并不能解释一切。（图片来源：欧洲核子研究中心）

填补标准模型中的漏洞

1897年，J.J.汤姆森（J. J Thomson）只使用玻璃真空管和电线发现了第一个基本粒子——电子。100多年后，物理学家仍在发现标准模型的新部分。

标准模型是一个预测框架，可以做两件事。首先，它解释了物质的基本粒子是什么。这些东西就像电子和夸克一样，构成了质子和中子。其次，它使用“信使粒子”预测这些物质粒子如何相互作用。这些被称为玻色子——它们包括光子和著名的希格斯玻色子——它们传达了自然的基本力量。在欧洲巨大的粒子对撞机欧洲核子研究中心工作了几十年后，希格斯玻色子直到2012年才被发现。

标准模型非常擅长预测世界运作的许多方面，但它确实有一些漏洞。

值得注意的是，它不包括任何重力描述。虽然爱因斯坦的广义相对论描述了重力的工作原理，但物理学家尚未发现一种传递重力的粒子。一个适当的“万物理论”将做标准模型所能做的一切，但也包括传达重力如何与其他粒子相互作用的信使粒子。

标准模型不能做的另一件事是解释为什么任何粒子都有一定质量——物理学家必须直接通过实验来测量粒子的质量。只有在实验给物理学家这些精确的质量后，它们才能用于预测。测量越好，可以做出的预测就越好。

最近，欧洲核子研究中心一个团队的物理学家测量了希格斯玻色子的强烈感受。欧洲核子研究中心的另一个团队也比以往任何时候都更准确地测量了希格斯玻色子的质量。最后，在测量中微子的质量方面也取得了进展。物理学家知道中微子的质量超过零，但低于目前可检测到的数量。德国的一个团队继续完善技术，使他们能够直接测量中微子的质量。

Muon g-2实验等项目突出了实验测量和标准模型预测之间的差异，这些差异指向了物理学中的某个地方的问题。（图片来源：Reidar Hahn/Wikimedia Commons）

新的力或粒子的线索

2021年4月，费米实验室的Muon g-2实验的成员宣布了他们对μ介子磁矩的首次测量。μ子是标准模型中的基本粒子之一，迄今为止对其特性之一的测量是最准确的。这个实验之所以重要，是因为测量结果与磁矩的标准模型预测不完全匹配。基本上，μ子的行为不正常。这一发现可能指向未被发现的与μ子相互作用的粒子。

但与此同时，在2021年4月，物理学家佐尔坦·福多尔和他的同事展示了他们如何使用一种名为格子QCD的数学方法来精确计算μ子的磁矩。他们的理论预测与旧的预测不同，仍然在标准模型中有效，重要的是，与μ子的实验测量相匹配。

在物理学家知道实验结果是否真正超出标准模型之前，必须调和之前接受的预测、这一新结果和新预测之间的分歧。

新工具将帮助物理学家寻找暗物质和其他有助于解释宇宙奥秘的东西。（图片来源：Mattia Di Mauro（ESO/Fermi-Lat）

升级物理工具

物理学家必须在制定构成理论的关于现实的扭曲思想和推进技术到新实验可以测试这些理论的地步之间摇摆不定。2021年是推进物理实验工具的大年头。

首先，世界上最大的粒子加速器，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，被关闭，并进行了一些实质性升级。物理学家刚刚于10月重新启动了该设施，他们计划于2022年5月开始下一次数据收集工作。

升级提高了对撞机的功率，使其可以在14 TeV时产生碰撞，高于之前的13 TeV限制。这意味着成批以光束绕圆形加速器运行的微小质子携带的能量与以每小时100英里（160千米）的速度行驶的80万磅（36万千克，360吨）客运列车的能量相同。在这些令人难以置信的能量下，物理学家可能会发现新的粒子太重了，无法在较低的能量下看到。

为了帮助寻找暗物质，还取得了其他一些技术进步。许多天体物理学家认为，目前不适合标准模型的暗物质粒子可以回答一些悬而未决的问题，这些问题涉及重力绕恒星弯曲的方式——称为引力透镜——以及恒星在螺旋星系中旋转的速度。像低温暗物质搜索这样的项目尚未找到暗物质粒子，但这些团队正在开发更大、更敏感的探测器，以便在不久的将来部署。

与我使用中微子的工作特别相关的是开发了巨大的新探测器，如顶级神冈探测器（Hyper-Kamiokande）和沙丘（DUNE）。使用这些探测器，科学家有望回答关于中微子振荡的基本不对称性的问题。它们还将用于观察质子衰变，某些理论预测应该发生这种拟议现象。

2021年强调了标准模型未能解释宇宙每个谜团的一些方式。但新的测量和新技术正在帮助物理学家在寻找万物理论方面取得进展。