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一個理論，同時解決物理學(xué)的五個大問題

2017.06.25

“每當(dāng)我跟那些非物理專業(yè)的人解釋基本粒子物理學(xué)的時候，我總是覺得局促不安。它看起來非常的隨意，一系列基本粒子的質(zhì)量沒有任何的規(guī)律。”
——Leonard Susskind

物理學(xué)家Guillermo Ballesteros和他的同事提出了一個新的理論模型，可以同時解決物理學(xué)中五個最困難的基本問題，分別是暗物質(zhì)、中微子振蕩、重子數(shù)產(chǎn)生、暴脹和強CP問題。

論文的摘要。（? Ballesteros et al.）

這個新理論被稱為SMASH，該模型在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上做一些添加。標(biāo)準(zhǔn)模型描述了宇宙中的萬物，包括了一系列的基本粒子，以及這些粒子如何通過基本力相互作用。盡管標(biāo)準(zhǔn)模型成功地通過許多的實驗驗證，但是有一些現(xiàn)象是它無法解釋的。比如下面這五個大問題：

如果標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子是宇宙中所有的粒子，那么我們就不會看到星系、星系團以及大尺度結(jié)構(gòu)。為了解釋這些就需要暗物質(zhì)的存在，而構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的84%的暗物質(zhì)的本質(zhì)是什么我們并不知道？
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，中微子應(yīng)該完全是沒有質(zhì)量，但是通過觀測中微子振蕩現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)它有著非零卻非常小的質(zhì)量。但是，是什么機制使中微子的質(zhì)量相比其它的基本粒子要小如此之多？
根據(jù)已知的粒子和相互作用，宇宙中的物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該是等量的。但很明顯我們所處的宇宙是由物質(zhì)構(gòu)成的，而不是反物質(zhì)。宇宙的這種基本不對稱性是什么導(dǎo)致的？
在宇宙年輕的時候曾經(jīng)經(jīng)歷了一次指數(shù)式膨脹，稱為暴脹，是什么觸發(fā)了暴脹的發(fā)生？
在弱相互作用和強相互作用中，都應(yīng)該允許CP-破壞，但我們的宇宙似乎只允許弱核力違反這個特別的對稱，而強核力并不，為什么會這樣？

粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。（? NSF）

如果標(biāo)準(zhǔn)模型是個完美的理論，我們就不會有這些疑問。要同時解決這五個問題，有一個“簡單”的方法，那就是發(fā)明新的粒子，超越標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子。事實上，這些粒子很容就能夠被制造出來。你所要做的就是將物質(zhì)和反物質(zhì)在一個非常高的能量下對撞，根據(jù)E=mc2，就會產(chǎn)生許多的粒子。在過去的50年里，對撞機已經(jīng)越來越強大，從幾MeV的能量等級一直提升至GeV的范圍，到了費米實驗室和大型強子對撞機建立后，能量以及可以達到TeV的范圍。通過粒子對撞，我們期待看到一些新的粒子。

但問題是我們需要多少個新粒子才能解決這些問題？

有一些模型，比如超對稱，把粒子的數(shù)量增加了幾百個，但目前在大型強子對撞機中沒有找到一個預(yù)言的新粒子。而SMASH理論只需要六個新粒子：三個中微子，一個費米子，以及一個場（包括了兩個粒子）。

Shaposhnikov模型的拉格朗日量。

SMASH的全稱是Standard Model Axion Seesaw Higgs portal inflation，從名字就可以看出來它是幾個理論的結(jié)合。SMASH建立在Shaposhnikov在2005提出的一個模型上【文獻2】，該模型通過加入三個中微子就可以解決其中的四個問題：暗物質(zhì)、暴脹、關(guān)于中微子本質(zhì)的問題以及物質(zhì)的來源。