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這是《萬有理論》系列文章的第5篇。 強(qiáng)CP問題，可不是什么跟“最強(qiáng)情侶”有關(guān)的問題。其實(shí)，當(dāng)它們組合在一起的時(shí)候，就成了粒子物理學(xué)中懸而未決的重大難題之一。對強(qiáng)CP問題的理解也將幫助我們叩響“新物理”的大門。要理解強(qiáng)CP問題，我們首先得了解什么是“強(qiáng)”，什么是“CP”。 【基本力之一：強(qiáng)相互作用】 △ 四種基本相互作用，從左自右：電磁相互作用、弱相互作用、強(qiáng)相互作用和引力。（圖片來源：Stichting Maharishi University of Management, the Netherlands） 這里的“強(qiáng)”是指強(qiáng)相互作用，是自然界的四種基本相互作用之一（其它的三種為引力、電磁相互作用和弱相互作用）。 從昨天的《你腦海中的原子模型是什么樣的？》我們知道原子是由原子核和電子構(gòu)成的。除了氫氣，原子核都是由質(zhì)子和中子組成的。但問題是是什么把原子核緊緊地束縛在一起？我們就需要一個比電磁力更強(qiáng)的力，這個力就是強(qiáng)核力，如果沒有它，質(zhì)子之間就會相互排斥。 △ 左邊：原子核；右邊：由夸克組成的質(zhì)子和中子。（圖片來源：Derek Owens; Matt Strassler） 事實(shí)上，單個質(zhì)子和中子也是由強(qiáng)核力束縛在一起的，因?yàn)橘|(zhì)子和中子都不是基本的，而是由更小的帶電粒子夸克組成的。 △ 質(zhì)子和中子是由上夸克(u)和下夸克(d)組成的，夸克的電荷是分?jǐn)?shù)的。（圖片來源： Learn EveryWare） 夸克獨(dú)特的地方在于，它不僅擁有電荷，還擁有色荷?？淇说纳晒灿腥N：紅、綠和藍(lán)，當(dāng)它們相結(jié)合的時(shí)候就會變成“無色”的，就好比紅、綠和藍(lán)光結(jié)合會變成白光一樣。同樣的，反夸克也有三種色荷：青（反紅）、洋紅（反綠）和黃（反藍(lán)）。 △ 三種顏色的色荷結(jié)合在一起會形成色中性（即無色）的粒子；紅色和反紅色結(jié)合在一起也會形成色中性的粒子。注意：這邊提到的“色荷”和可見顏色沒有沒有任何關(guān)系，它只是物理學(xué)家所發(fā)展出的數(shù)學(xué)系統(tǒng)，以解釋夸克的性質(zhì)。（圖片來源：McLean County Unit District Number 5） 正如在《十個問題，帶你認(rèn)識粒子物理學(xué)》中作者也提到過，強(qiáng)相互作用其實(shí)是由膠子傳遞的。膠子不僅負(fù)責(zé)將單獨(dú)的粒子——比如質(zhì)子、中子或π介子——束縛在一起，它也將原子核束縛在一起。膠子的行為是由量子色動力學(xué)（QCD）所支配。 △ 膠子不僅將夸克束縛在一起，也將原子核束縛在一起。（圖片來源：CERN / European Organization for Nuclear Research） 根據(jù)QCD，當(dāng)兩個夸克（或反夸克）之間的距離越來越大時(shí)，它們之間的相互作用力也越大，也就是說，如果兩個夸克離的非常近，它們之間的相互作用力就非常小，這被稱為“漸進(jìn)自由”。打個粗糙的比方，這就好比是兩個戀人，每天膩味在一起就會打打鬧鬧想分開，可是一旦離開對方，卻又想方設(shè)法要聚在一起。這對于熟悉牛頓反平方比定律的人是非常反直覺的。 △ 如果把一個上夸克和反下夸克強(qiáng)行拉開，所需要的能量越來越高，一旦超過一個點(diǎn)，在真空中制造出一堆夸克/反夸克對。（圖片來源： Flip Tanedo of Quantum Diaries） 此外，如果強(qiáng)行把兩個夸克拉開，最終會達(dá)到一個點(diǎn)，一旦超過就會在真空中拉出一對粒子/反粒子對。也就是說在這個過程中制造出了多余的粒子，這也是很反直覺的，有點(diǎn)像奇怪的巴拿赫-塔斯基定理（又名“分球怪論”）。 在生活中，我們經(jīng)常說的“質(zhì)量”其實(shí)也跟強(qiáng)相互作用有關(guān)。我們身體的大部分質(zhì)量都來自強(qiáng)相互作用，甚至是你坐的椅子、太陽和月亮的質(zhì)量都來自于它?；蛟S你會好奇，難道賦予粒子質(zhì)量的不是來自希格斯機(jī)制嗎？關(guān)于這個問題，有興趣地讀者可以進(jìn)一步閱讀《質(zhì)量從何而來？》。 強(qiáng)相互作用還有很多值得討論的地方，以上只是很簡單的描述了它的一些基本信息。如果你有一定的相關(guān)知識儲備量，我推薦你閱讀文獻(xiàn)【1】中諾貝爾得主Frank Wilczek撰寫的文章，是QCD很好的入門文章。 盡管我只是簡單的描述了強(qiáng)相互作用，但是你要記住，如果沒有它，恒星就不會發(fā)光，也沒有復(fù)雜的分子會產(chǎn)生，更不會有任何的巖石行星出現(xiàn)在宇宙的任何角落。 【自然界中的基本對稱性：CP對稱】 那么CP又是什么？在20世紀(jì)初，艾米·諾特發(fā)現(xiàn)了基本物理學(xué)定律和對稱性有關(guān)。她把連續(xù)對稱性和守恒定律連接了起來，例如，一個系統(tǒng)對于空間平移的不變性（物理定律不隨空間中的位置而變化）給出了動量的守恒定律。諾特定理優(yōu)雅地描述了這一關(guān)系，并且是許多現(xiàn)代物理理論的基礎(chǔ)。諾特展現(xiàn)給我們的一些最強(qiáng)大的對稱是那些跟空間和時(shí)間相聯(lián)系的對稱。 △ 艾米·諾特。（圖片來源：Wikipedia） 舉個例子，鏡像對稱，也被稱為宇稱不變性（用字母“P”表示宇稱）。當(dāng)你照鏡子的時(shí)候，鏡中的你跟現(xiàn)實(shí)中的你正好左右相反。如果你舉起右手，鏡像中的你就會舉起左手。鏡中的你心臟在右側(cè)，身上的表針逆時(shí)針走。現(xiàn)在想象有一個鏡像宇宙，在這個宇宙中所有的東西都是相反的。在這個宇宙的我們都是左邊駕駛的，太陽會打西邊升起，從東邊日落等等。但基本上沒有任何其它東西會改變，事實(shí)上我們只要把左邊和右邊的概念對換一下就會跟我們身處的這個宇宙沒有任何區(qū)別。 至少，這種情景在宇稱守恒的前提下是正確的。在大多數(shù)情況下，自然并不區(qū)別左和右，宇稱是守恒的。但是1950年代中期，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些“奇異粒子”，某些粒子在它們的衰變方面有令人困惑的性質(zhì)。這樣的困境直到1956年才得以解決，那個時(shí)候楊振寧和李政道提出了一個在當(dāng)時(shí)看來是驚世駭俗的建議：宇稱不守恒！ 他們建議研究一個自旋的放射性原子核。我們知道在放射性原子核中，原子核是有一定的幾率發(fā)生衰變的，并且由弱相互作用決定。衰變的原子核會放出一個電子和一個中微子，后者在實(shí)驗(yàn)中觀察不到。因此科學(xué)家必須把目標(biāo)集中在高速飛出的電子上。假定電子沿核自旋方向射出。如果宇稱守恒，電子應(yīng)該在核自旋方向和相反方向有相同的射出幾率。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中涉及許多原子核，我們會觀察到從許多衰變中射出的電子，看看它們是否偏愛哪個方向。如果在我們的世界中，電子更多沿核自旋的方向射出，而鏡中世界則會觀察到電子更多沿核自旋的反方向射出，因此我們就可以得出結(jié)論：自然破壞宇稱不變性。 △ 吳健雄的實(shí)驗(yàn)：這聽起來是一個并不困難的實(shí)驗(yàn)，但當(dāng)時(shí)吳健雄遇到的實(shí)驗(yàn)難題是沒有人能夠提供給她一個自旋的原子核。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)樣品中的巨大數(shù)量的原子核在不同的方向上轉(zhuǎn)動。只有設(shè)法把這些核自旋排列好來，實(shí)驗(yàn)才能奏效。在室溫下，原子在永久的熱激發(fā)中振動，所有以核自旋排列好了很快又都指向不同的方向。因?yàn)?，她只能在低溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以使熱激發(fā)最小。吳健雄最終克服了重重難關(guān)，證明了宇稱不守恒，自然第一次把她的“手征”呈現(xiàn)在這位偉大的女士面前。（? Wikipedia） 1956年的時(shí)候，吳健雄通過觀察鈷-60原子的放射性衰變，發(fā)現(xiàn)電子主要從一個特定方向射出。她驗(yàn)證了楊振寧和李政道的理論：在弱相互作用中宇稱不守恒。可想而知，這個消息在當(dāng)時(shí)讓物理界同行都目瞪口呆！ 另一個對稱是跟電荷（用字母“C”表示）有關(guān)的。在我們的宇宙中，質(zhì)子帶有正電荷，而電子帶有負(fù)電荷。電荷對稱關(guān)心的是如果電荷對換了會發(fā)生什么。我們知道粒子和它的反粒子有完全相同的質(zhì)量，但電荷卻相反。通過一個電荷共軛的操作，相當(dāng)于在一個物理過程中把所有的粒子用相應(yīng)的反粒子替代。就和想象鏡中的世界一樣，我們也可以想象一個由反物質(zhì)構(gòu)成的反世界。根據(jù)電荷共軛對稱推斷，我們的世界和反世界的物理定律應(yīng)該完全一樣。到1956年，不同的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)驗(yàn)證了電荷共軛不變性。但是宇稱既然被破壞了，物理學(xué)家不免要問，電荷共軛不變性是否也會被破壞。 △ 所有的中微子都是左手的，沒有右手中微子的存在。所有的反中微子都是右手的，沒有左手的反中微子存在。（? E. Siegel） 事實(shí)證明，電荷對稱也是可以破壞的，也跟弱相互作用有關(guān)，特別是跟中微子有關(guān)。雖然中微子并不具有電荷，但它們卻具有螺旋性。給定一個沿直線運(yùn)動的自旋的粒子，我們可以問，前面所定義的自旋方向是沿運(yùn)動方向呢還是與它相反？如果一個粒子的螺旋性是右手征的那么自旋方向與運(yùn)動方向相同。從實(shí)驗(yàn)中表明，中微子有一個奇怪的性質(zhì)：它永遠(yuǎn)是左手的。根據(jù)電荷共軛不變性推斷，反中微子也應(yīng)該是左手的，但是通過實(shí)驗(yàn)觀察反中微子發(fā)現(xiàn)，它確實(shí)是右手的。弱相互作用也破壞電荷共軛不變性。
△ 一個逆時(shí)針轉(zhuǎn)的介子（左上）衰變并往北射出電子。在P變換下（右上），介子順時(shí)針?biāo)プ儾?/span>往北射出電子；在C變換下（左下），逆時(shí)針轉(zhuǎn)的反介子衰變并往北射出電子；在CP聯(lián)合變化下（右下），該粒子變成順時(shí)針的反介子衰變，并往北射出電子。（? E. Siegel） 宇稱和電荷共軛都被破壞了，那么有沒有這樣一種可能性：如果我們能夠建造一個魔鏡，它不僅能反射左和右，還能把粒子變成反粒子，即粒子與反粒子互為鏡像，那么自然有沒有可能在宇稱（P）和電荷共軛（C）的聯(lián)合操作下不變。好景不長，在1964年的時(shí)候科學(xué)家也找到了在弱相互作用下CP破壞的證據(jù)。 【強(qiáng)CP問題】 現(xiàn)在的問題是，支配弱相互作用的電弱理論（EWT）和QCD是非常相似的。理論上，CP破壞是可以發(fā)生在強(qiáng)相互作用的，但目前在實(shí)驗(yàn)中我們還沒有發(fā)現(xiàn)任何CP破壞的證據(jù)。在強(qiáng)相互作用的方程中，有一個角度 θ（代表了CP破壞的量）可以取任何值。但是 θ 的值非常小——甚至有可能為零——表明CP對稱有可能在強(qiáng)相互作用中守恒。
△ QCD的拉格朗日密度。在 θ 不為零的情況下，強(qiáng)相互作用允許CP對稱的破壞。 為什么？我們不知道為什么CP破壞只發(fā)生在弱相互作用，而不發(fā)生在強(qiáng)相互作用中?？茖W(xué)家提出了一些可能的理論解釋： Peccei–Quinn理論：這是最被看好的一個理論。該理論是由 Roberto Peccei 和 Helen Quinn提出，他們認(rèn)為參數(shù) θ 并不是一個常數(shù)，而是一個場，它的值可以演化。正是該場的近似對稱導(dǎo)致了 θ 參數(shù)很小或?yàn)榱?。在量子場論中，一個場總是有相應(yīng)的粒子，因此在Peccei-Quinn機(jī)制預(yù)測了一個新的粒子：軸子。這個理論同時(shí)也解決了物理學(xué)的另一個大問題：暗物質(zhì)。 SMASH理論：在不久前，物理學(xué)家Guillermo Ballesteros提出了另一個理論，稱為SMASH。該理論不僅解決了強(qiáng)CP問題和暗物質(zhì)，也解決了物理學(xué)的另外三個大問題（詳見：《一個理論，同時(shí)解決物理學(xué)的五個大問題》）。但無論是Peccei-Quinn理論還是SMASH理論，他們想要成功就必須要在實(shí)驗(yàn)中找到軸子的蹤跡！ Nelson-Barr機(jī)制：或許CP對稱是自然界中真正的對稱，但為了保持 θ 的值很小，它稍微的被破壞了。1984年，Ann Nelson 和 Stephen Barr 通過計(jì)算認(rèn)為這是可行的，但他們的機(jī)制要求存在一種質(zhì)量很大的粒子，但問題是粒子的質(zhì)量大到無法被實(shí)驗(yàn)探測到（文獻(xiàn)【3】）。 2003年，物理學(xué)家還提出了一種不需要引進(jìn)新粒子的方法來解釋強(qiáng)CP問題，具體可參考文獻(xiàn)【2】。 強(qiáng)CP問題是一個強(qiáng)烈的信號表明現(xiàn)有的理論（即粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型）是不完整的，隱藏在它背后的秘密正等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。 參考文獻(xiàn)： 【1】http://www./Wilczek_Easy_Pieces/298_QCD_Made_Simple.pdf 【2】https:///pdf/hep-ph/0012284.pdf 【3】https:///pdf/1506.05433.pdf ▽ 點(diǎn)擊文字查看《萬有理論》系列文章 ▽ 3. 為什么我們都是由物質(zhì)組成？而不是反物質(zhì)？ |
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