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(2019-11-20 10:38:48)
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"强CP问题"是所有物理学中最被低估的难题
资深撰稿人
资深撰稿人
2019/11/19
从一声爆炸开始
在标准模型中，中子的电偶极子矩被预计为一个十倍因子...
如果你问一个物理学家这个领域今天面临的最大的未解决问题是什么，你可能会得到各种各样的答案。有些人会指出层次结构问题，好奇为什么标准模型粒子的质量有我们观察到的（小）值。其他人会问关于重子创世的，问为什么这个宇宙充满了物质而不是反物质。其他流行的答案同样令人费解：暗物质、暗能量、量子引力、宇宙的起源以及是否有供我们来发现的一切的终极理论。
但一个从未得到应有关注的谜题的却一直为人们所知近半个世纪：强CP问题。与大多数需要超越标准模型的新物理学的问题不同，强 CP 问题是一个标准模型本身的问题。这里是关于一个每个人都应该更加关注的往下的问题。
粒子物理学的标准模型解释四种力（引力除外）中的三个,...
当我们大多数人想到标准模型时，我们会想到构成宇宙的基本粒子以及发生在它们之间的相互作用。在粒子方面，我们有夸克和轻子以及规制电磁、弱和强相互作用的携载力的粒子。
有六种类型的夸克（和反夸克），每种都带有电荷和色荷，六种类型的轻子（和反轻子），其中三种有电荷（如电子它的更重的表亲），三种没有（中微子）。但凡是电磁力只有一个携带力的粒子（光子）与它相关，弱核力和强核力有很多：三个弱相互作用的定规玻色子（W+，W-和Z）和八个强相互作用的（八个不同的胶子）。
标准模型的粒子和反粒子现已全部被直接检测到，并带有....
为什么如此多呢？这是东西变得有趣的地方。在我们使用的大多数传统数学中，包括我们用来对简单物理系统建模的大多数数学，所有运算都是我们所说的交互的。简单的说，交互意味着你按什么顺序做运算并不重要。 2 + 3 与 3+ 2 相同，5 * 8 与 8 *5 相同，两者都是交互的。
但其它东西基本上不交互的。例如，拿上你的手机并按保持它以便屏幕面对你的脸。现在，尝试做以下两件事情：
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相同的两个旋转，但顺序相反导致一个狂不同的最终结果。
作者在前智能手机时代的最后一部手机例证在3D空间中的旋转怎样不会...
当到标准模型时我们使用的交互是比加法、乘法甚至旋转在数学上更复杂一些的，但概念是相同的。不是在谈论一组运算是交互的还是非交互的，而是我们讨论是否这些描述相互作用的组（来自数学群理论）是以伟大的数学家尼尔斯·阿贝尔的名字命名的阿贝利尔的还是非阿贝利尔的。
在标准模型中，电磁只是阿贝利尔的，而核力弱力和强核力则是非阿贝利尔的。不是加、乘或旋转，而是在阿贝利尔的和非阿贝利尔的之间的差异显示在对称性中。阿贝利尔的理论应该有底下的是对称的相互作用：
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而非阿贝利尔的理论应该显示差异。
对于电磁交互，C、P 和 T 均单独的被守恒，并且也以任意组合（CP、PT、CT 和 CPT）守恒的。对于弱交互，C、P 和 T 已经都被发现单独的被违反的，同样是任何两个（CP、PT 和 CT）的组合（CP、PT 和 CT）都被发现违反的，但不是所有三个一起的（CPT）。
这就是问题所在。在标准模型中，某些交互被禁止的，而其它的交互被允许。对于电磁交互，C、P 和 T 的违反都单独的被禁止。对于弱和强相互作用，所有三个串联 （CPT） 的违反是被禁止的。但是，C和P的一起组合（CP）虽然在弱相互作用和强相互作用中都被允许，但从来只在弱相互作用中已经被见过。事实上，它被在强互动中允许，但没有看到过是这个强CP问题。
回到1956年，在写关于量子物理学时默里·盖尔-曼恩捏造了现在所谓的极权的原则"一切不被禁止的东西都是强制性的"。虽然它往往被恶意的曲解，但如果我们认为这意味着如果没有一个禁止一个交互发生的守恒法则那么这种交互将发生有一个有限的、非零的可能性是100%正确的。
在弱交互中，CP 违反大约发生在 1/1000 水平上，也许人们会天真的期望它在大约相同级别上发生在强交互中。然而，我们已经广泛的寻找了CP违反没有可用的。如果它确实发生，它被一个超过十亿（10＾9）的因子压制，某些如此惊人以致仅仅把这写为偶然性是不科学的东西。
当我们看到某些像一个球小心的被平衡在山顶上的东西时，这似乎是我们所说的...
如果你受过理论物理学的训练，你的第一本能会是提出一个新的在强相互作用中抑制违反CP项的对称性，真的物理学家罗伯托·佩奇和海伦·奎因在1977年首次炮制出这种对称性。与大多数理论一样，它假设一个新的参数（在本例中是一个新的标量场）来解决这个问题。但与许多玩具模型不同，这种模型能被进行测试。
如果佩奇和奎恩的新想法是正确的，它应该预测一个新的粒子轴子的存在。轴子应该极端的轻，应该没有电荷，并且数量上应该非常丰富。事实上它造就了一个完美的暗物质候选粒子。1983年，理论物理学家皮埃尔·西基维（Pierre Sikivieé）认识到了这样一个轴子的一个后果是正确的实验可以在地面实验室中可行的探测到它们。
一个实验的低温设置寻求来利用假设的相互作用...
这标志着一个会变成在过去二十年里一直在寻找轴子的轴子暗物质实验（ADMX）的诞生。它对轴子的存在和属性放上了极大的好的约束，排除了佩奇和奎因的最初定制但留下一个要么是扩展的佩切-奎因对称性、要么是一些高质量的替代物的可以解决强CP问题并导致一个令人信服的暗物质候选的空间。
截至2019年，没有已经见到的证据，但约束比以往任何时候都好，目前正在升级这个实验来寻找多种的轴子和轴子类粒子。如果甚至暗物质的一小部分是由这样一种粒子构成的，利用（我所知的）一个西基维腔的轴子暗物质实验将是第一个直接的来发现它的。
随ADMX探测器被从它的磁体上移除，用于冷却实验的液氦形成...
本月早些时候，宣布了皮埃尔·西基维将成为2020年樱花奖的获得者，该奖项是物理学界最负盛名的奖项之一。然而，尽管围绕这个轴子的理论预测、它的存在的追求和来测量它的属性，但这一切是建立在一个令人信服的、美丽的、优雅的但非物理的想法之上是显著的可能的。
对强CP问题的解决方案可能不在于一个新的类似于由佩奇和奎因提出的对称性的对称性，而轴子（或类似轴子的粒子）可能毕竟不存在于我们的宇宙中。这是所有更有理由以我们技术能掌握的每一种可能的方式来检查宇宙的：在理论物理学中，对任何我们能够识别的谜题都有几乎无限多的可能解决方案。只有通过实验和观察我们才能希望来发现哪一个适用于我们的宇宙。
我们的星系被认为嵌入在一个巨大的、漫射的暗物质晕中，这表明在那里...
在理论物理学的几乎每一个前沿，科学家们正在努力解释我们观察到的。我们不知道暗物质是什么组成的，我们不知道什么对暗能量负责的，我们不知道物质怎样在宇宙的早期阶段战胜反物质的。但强CP问题是不同的：这是一个不是因为某些我们观察到的东西而是因为缺乏观察到的某些被完全的预期的东西。
为什么在强相互作用中，衰变的粒子刚好与一个镜像结构中的反粒子衰变匹配呢？为什么中子没有一个电偶极矩呢？许多对一个新对称性的替代解决方案如夸克是无质量的现在被排除了。大自然刚好这样存在蔑视我们的期望吗？
通过理论和实验物理学的正确发展，在大自然的一点帮助下我们也许刚好可以找出。
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天体物理学家和作者爱善西格尔是从一声爆炸开始的创始人和主要作家!他的书迁徙术和超越银河在任何售书的地方都可以买到。
从一声爆炸开始撰稿人小组
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