別暴躁！用大白話告訴你如何通過第五維度搜尋暗物質_風聞

　　翻譯：李遠飛

　　校譯：王延昕

　　編排：關關

　　原文鏈接：

　　https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210201144939.htm

　　大年初二啦，為了消化一下前兩天的暴飲暴食，小編決定今天讓大家搞搞動動腦，學習一下理論物理，順手請轉發朋友圈炫耀一下知識面也挺好不是？

　　先聊一下粒子物理學。。。

　　Cut！

　　OK，如果大家對粒子物理學還不是很熟悉的話，小編可以在這裏嘮叨幾句粒子物理學標準模型先。

　　粒子物理學標準模型是一套描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論。具體來説，標準模型中的17種基本粒子，也就是12種費米子和5種玻色子，分別起到構成物質和傳遞作用力的作用。到目前為止，幾乎所有對以上三種力（強力、弱力及電磁力）的實驗結果都合乎這套理論的預測。但是標準模型還不是一套萬有理論，主要是因為它並沒有描述到引力。同時，標準模型也無法解釋暗物質和暗能量的存在和中微子的質量問題。這證明標準模型起碼是不完整的，缺失了一部分物理來構成萬有理論。為了解釋這些和現有標準模型理論有出入的證據，物理學家們提出了各種新奇的想法：弦論、額外維度、更多的基本粒子等等。

　　圖源：知乎

　　其實吧，聊完這些小編依然不是很懂。。。

　　德國美因茨約翰內斯-古騰堡大學（JGU）PRIMA+精英小組（Cluster of Excellence）的理論物理學家一直致力於發展出一個包含額外維度的理論來解釋標準模型和現實的出入。但直到最近，科學家們都還面臨着這樣一個致命的問題：他們理論的預測無法通過實驗來檢驗。現在，他們在本期《歐洲物理學雜誌C》（European Physical Journal C）上發表的文章聲稱他們已經克服了這個問題。

　　圖源：Sandbox Studio, Chicago

　　早在20世紀20年代，西奧多·卡魯扎和奧斯卡-克萊因為了統一引力和電磁力，推測在我們熟悉的三個空間維度和時間維度（四維時空）之外，還存在一個額外的維度。如果它存在的話，這樣一個新的維度必須存在於不可思議的微小尺度，無法被人類所感知。該理論被稱為“克魯查-克萊因理論”。

　　愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，空間可以擴張、收縮和彎曲。現在，如果一個維度收縮到比原子還小的尺寸，它就會“隱藏”起來。但如果我們能從一個足夠小的尺度來觀察，那個被隱藏的維度可能又會變得可見。想象一下，一個人在鋼絲上行走。她/他只能向前和向後移動，但不能向左和向右移動，也不能向上和向下移動，所以只能看到一個維度。而生活在更小微觀尺度上的螞蟻可以繞着纜繩移動，這對走鋼絲的人來説就像是一個額外的維度。小編想起了可憐的螞蟻在摩比斯環上無休止地爬行。。。

　　莫比烏斯環上無休止爬行的螞蟻

　　圖源：Giphy

　　20世紀90年代末，人們意識到第五維度的存在可能可以解決粒子物理學裏一些頑固的問題，而第五維度的想法隨之迎來了顯著的復興。尤其是斯坦福大學的尤瓦爾-格羅斯曼和時任美國康奈爾大學教授的馬蒂亞斯-諾伊伯特在一篇被高度引用的文章中表明，將粒子物理學的標準模型嵌入到五維時空中就可以解釋我們在基本粒子質量中看到的階層性問題 (gauge-hierarchy  problem)。

　　這之後又過了20年，馬蒂亞斯·諾伊伯特教授（Professor Matthias Neubert）的小組又有了另一個意外的發現，諾伊波特教授自2006年起任教於美因茨約翰內斯-古騰堡大學，同時也是PRISMA+精英小組的發言人。他們發現，五維場方程預言了一種新的重粒子的存在，它的性質與著名的希格斯玻色子相似，但質量要重得多。事實上，世界上最高能的粒子對撞機--瑞士日內瓦附近歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）也無法產生這麼重的粒子。“這真的是一場噩夢，“參與研究的博士生哈維爾-卡斯特利亞諾-魯伊斯（Javier Castellano Ruiz）回憶説，“我們的理論預測了一種新粒子，這讓我們都感到興奮。但是在可預見的未來中，我們似乎不可能在任何實驗中證實這一預測。”

　　通過第五維度的迂迴之路

　　在最近發表在《歐洲物理學雜誌C》上的一篇論文中，研究人員為這一難題找到了一個令人驚歎的解決方案。他們發現，他們提出的粒子必然會在可見宇宙中的已知基本粒子和神秘的暗物質之間產生出一種新的力量。他們的理論甚至還能夠解釋為什麼在天體物理實驗中，暗物質構成了宇宙總質量的絕大部分。這為尋找暗物質的組成成分提供了新方法，字面意義上的從額外的第五維度繞道。如果這個理論被證實，我們還能夠了解宇宙開始，暗物質剛產生時的物理法則。“經過多年對證據的尋找，我們現在相信我們發現的基本粒子和暗物質之間的關係將使得暗物質能夠在實驗室被探測到，因為普通物質和暗物質之間這種新的相互作用的性質——由我們提出的粒子作為中介——可以在我們的理論中準確計算，“研究小組負責人Matthias Neubert教授説。“最終，也是我們所希望的，新粒子可能首先通過它與暗物質的相互作用被發現。” 這個例子很好地説明了實驗和理論基礎科學之間富有成效的相互作用。

　　白活完了，暈了不？

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