新粒子：通向新物理世界的鑰匙

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01

院士的話

宇宙是如何起源的?

宇宙萬物最基本的組分是什么?

這是自然界最基本的科學問題。從1895年發(fā)現(xiàn)X射線到2012年發(fā)現(xiàn)希格斯波色子,人類通過百余年的努力,成功的建立了量子理論及在其基礎上的粒子物理的標準模型；但仍然有許多的觀測或?qū)嶒灛F(xiàn)象（比如電荷量子化、暗物質(zhì)等等）沒有辦法被標準模型所解釋，這背后一定隱含豐富的超出標準模型的新物理等待我們發(fā)掘。對于像磁單極子和軸子這一類超標準模型理論預言的新粒子搜尋，是尋找新物理的重要組成部分。這一類新粒子信號是超稀有且超微弱的，因而對于探測方法和手段提出了前所未有的挑戰(zhàn)；使用新興的量子傳感技術(shù)與粒子探測技術(shù)相結(jié)合，將極大提高探測靈敏度,為此類尋找和發(fā)現(xiàn)帶來新的機遇。在2023年重大科學問題的評選當中，各位專家一致推選“利用新型符合測量方式能否搜尋磁單極子和軸子暗物質(zhì)的存在？”作為一個重要科學問題。相關(guān)團隊提出了結(jié)合原子磁力儀與塑料閃爍體的符合測量方案，有望形成大陣列來來對磁單極子和軸子進行超高靈敏的尋找和探測。

趙政國

中國科學院院士

中國科學技術(shù)大學教授

▲已知的宇宙歷史

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02

新粒子搜尋打開新物理大門

探尋超出我們知識邊界的新物理一直是物理學界的首要目標，每一次對于現(xiàn)有理論的拓展和更新，都給整個領域乃至整個世界帶來了翻天覆地的變化。在21世紀的今天，雖然我們有一個非常成功的粒子物理標準模型，能夠很好地描述我們物質(zhì)的最小構(gòu)成，但從種種實驗跡象看來，它仍然是不完整的；實驗搜尋新物理理論預言的新粒子，如磁單極子、軸子暗物質(zhì)等等，則是對于新物理搜尋的一個最為直接的重要手段，相關(guān)突破將開啟物理學新篇章。

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03

對未知永無止境的探索

人類的科學史從本質(zhì)上說就是不斷地把未知變?yōu)橐阎倪^程；這個過程非常緩慢且并不連續(xù)，通常在積累到一定程度后才會出現(xiàn)一個量變，比如一個新理論的建立。在物理學歷史中，我們見證了這種類似的重大發(fā)現(xiàn)和突破。從牛頓的經(jīng)典力學到愛因斯坦的相對論，從量子力學的誕生到粒子物理學的標準模型，每一次進步都展示了人類對自然規(guī)律的深入了解。以下我們舉幾個例子，說明一下物理學史上著名的新理論建立過程：

（一）電磁統(tǒng)一

在19世紀初，科學界對于電與磁的本質(zhì)理解仍然是非常缺乏的。當時，雖然對于電和磁分別有著不同的實驗觀測，主流思想基本還是把它們當作兩個不同的物理主體來對待；但是漸漸地出現(xiàn)了不少實驗現(xiàn)象開始把電與磁進行了聯(lián)系。

（二）量子理論建立

時間來到20世紀初期，經(jīng)典物理隨著經(jīng)典力學、熱力學、光學以及電磁學的完善，正是處于一個巔峰的狀態(tài)。但當時也是有一些物理現(xiàn)象沒有辦法完全被經(jīng)典物理所解釋，最為著名的例子就是黑體輻射。

▲300K下黑體輻射譜，黑線代表測量結(jié)果，紅線代表經(jīng)典物理預期，藍線是維恩根據(jù)實驗結(jié)果推導的黑體輻射半經(jīng)驗公式

普朗克為了解釋黑體輻射譜與經(jīng)典物理間的矛盾，首次提出了光的能量必須有一個最小單位時，就可以很好地去解釋黑體輻射譜。其實在提出該理念時，由于太過不可思議普朗克自己都沒有太過相信，只是認為這是一個等效模型。但是科學家們相繼發(fā)現(xiàn)，利用光量子化的概念，可以進一步去解釋在當時同樣與經(jīng)典物理預期有出入的其他實驗現(xiàn)象，如光電效應與原子穩(wěn)定性問題等等。所以從此，量子力學誕生并且極大地改變了整個世界。

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04

超標準模型新粒子

▲粒子物理標準模型

粒子物理標準模型可以說是現(xiàn)今最為成功的物理理論之一，它描述了物質(zhì)最為微觀的組成。通過多年的實驗以及理論構(gòu)建起的標準模型告訴我們，物質(zhì)是有費米子（重子以及輕子）構(gòu)成的，重子最為基本的單元是6種夸克，輕子也有六種分別是電子、謬子、陶子以及它們各自對應的中微子；而這12個基本粒子各自還有其對應的反粒子。同時標準模型還描述了物質(zhì)之間的基本相互作用（除了引力以外），認為物質(zhì)間的作用是通過交換玻色子來實現(xiàn)的：電磁相互作用通過交換光子，弱相互作用通過交換W和Z玻色子，強相互作用通過膠子。還有一種玻色子希格斯粒子給予物質(zhì)質(zhì)量。所以24種正反費米子以及5種玻色子構(gòu)成了目前粒子物理標準模型；至2012年希格斯粒子在ATLAS以及CMS實驗中被找到，標準模型粒子全部被實驗驗證。但是這不意味著標準模型就是完美的最終理論，我們?nèi)匀挥锌捎^數(shù)量的問題和實驗現(xiàn)象沒有被標準模型所解釋：

（一）電荷量子化問題和磁單極子：

磁單極子同時在粒子物理以及宇宙學上有著非常大的意義，它與長期懸而未決的電荷量子化問題息息相關(guān)，也是超標準模型大統(tǒng)一理論預言的重要粒子；同時也是宇宙極早期誕生的產(chǎn)物，帶有宇宙早期的演化信息。

（二）暗物質(zhì)和軸子：

暗物質(zhì)的本質(zhì)是什么？現(xiàn)今大多數(shù)物理學家認為，暗物質(zhì)可能是一種超出標準模型的新粒子，背后蘊含著我們現(xiàn)今還未清楚的新物理的存在。主流理論認為暗物質(zhì)粒子最為可能的候選者有兩個，一個是大質(zhì)量弱相互作用粒子，另一個就是軸子。軸子是為了解釋強相互作用中電荷宇稱守恒問題，而被提出來的，因為在標準模型下強相互作用電荷宇稱是應該發(fā)生破缺的。同時由于軸子預期的質(zhì)量極低，與物質(zhì)間相互作用非常微弱，也是暗物質(zhì)非常強力的候選者。

▲(上左圖)星系旋轉(zhuǎn)曲線示意圖;

(上右圖)子彈星系團碰撞后產(chǎn)物;

(下圖)Planck衛(wèi)星探測到的微波背景輻射溫差圖以及多極展開譜

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05

不斷進步的探測手段

對于磁單極子以及軸子這一類新粒子的探測，對于我們的探測手段有著非常高的要求；這一類探測通常被認為是稀有微弱物理過程。它們的信號要么特別稀有，顯著受到地球上的各種輻射環(huán)境的影響；要么這類信號幅度非常小，很容易被無處不在的噪聲給掩蓋下去。過去幾十年，針對稀有微弱物理過程的搜尋，探測器技術(shù)在不斷地得到提升。

（一）磁單極子探測

對于磁單極子的探測，最為主流的方式有兩種：深地粒子探測實驗以及超導線圈實驗。深地粒子探測器主要是利用傳統(tǒng)的粒子探測手段，對于磁單極子穿過物質(zhì)時產(chǎn)生的電離信號進行探測。另一種對于磁單極子重要的探測手段是利用超導線圈去探測磁單極子穿越時產(chǎn)生的感應電流。

▲(左)MACRO探測器示意;

(右)ICECUBE探測器示意。

（二） 軸子探測

主要的探測方式是基于理論認為軸子在強磁場下可能會轉(zhuǎn)換為光子，比較著名的比如有微波諧振腔探測儀。它是通過構(gòu)建特殊的幾何形狀腔體可以對微波進行諧振并收集，主要探測的是軸子與光子間的相互作用，在諧振腔中產(chǎn)生的特殊頻率微波。

▲(左上)微波諧振腔示意圖;(右上)太陽軸子探測器示意圖;(下)激光穿墻實驗探測器示。

（三）量子傳感器開啟粒子探測新篇章

隨著粒子探測實驗對于探測的精度要求越來越高，過去傳統(tǒng)的基于電離能量探測的技術(shù)（閃爍體探測器、半導體探測器等等）逐漸開始無法滿足要求；漸漸地一 些新興的量子傳感器技術(shù)開始被應用到粒子探測領域。一個成功的例子是在暗物質(zhì)直接探測領域內(nèi)的應用。

▲(左)CDMS 探測模塊照片;

(右)探測原理示意圖。

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06

結(jié)語

近幾年越來越多的量子傳感技術(shù)正在被運用到粒子探測領域，很有可能在近未來給我們新粒子領域帶來重大突破，磁單極子和軸子探測只是一個開始。相信在不斷提升探測精度的同時，一定會有更多的新物理跡象涌現(xiàn)，直到我們迎來下一個物理上的重大發(fā)現(xiàn)。

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