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宇宙，在基本层面上，只是由一些不同类型的粒子和场组成，它们存在于时空结构中，而时空结构又构成了其他的空白空间。虽然宇宙中可能有一些我们不了解的组成部分，比如暗物质和暗能量，但正常物质和辐射不仅被很好地理解，而且被我们最好的粒子理论标准模型完美地描述。上图：标准模型的粒子，质量（mev）在右上角。费米子组成左边的三列（三代）；玻色子填充右边的两列。如果像镜像物质这样的推测性想法是正确的，那么这些粒子中的每一个都可能有镜像物质对应物。标准模型有一个复杂但有序的结构，有三代粒子。为什么是三代粒子呢？粒子族显示为一组3，以电子、μ子和τ族为特征。最后两个是不稳定和腐朽的。所以我的问题是：高阶粒子是否存在？如果是存在的话，这些粒子能能量将是什么样的呢？如果没有，我们怎么知道它们不存在。这是个大问题，让我们一起来探讨。上图：标准模型的粒子和反粒子现在都被直接探测到了，最后一个坚持的粒子，希格斯玻色子，在本世纪早些时候落在了大型强子对撞机上。所有这些粒子都可以在LHC能量下产生，并且粒子的质量导致基本常数，这些常数是完美描述它们的绝对必要的。这些粒子可以用标准模型下的量子场论来描述，但它们不能描述一切，比如暗物质。标准模型中有两类粒子：费米子，其自旋为半整数（±1/2，±1/2，±2/2等），其中每个费米子都有反物质（反费米子）对应物；玻色子，其自旋为整数（0，±1，±2等），既不是物质也不是反物质。玻色子就是这样：1个希格斯玻色子，1个玻色子（光子）表示电磁力，3个玻色子（W+，W-和Z）表示弱力，8个胶子表示强力。玻色子是能使费米子相互作用的携带力的粒子，但费米子（和反费米子）携带基本电荷，这些电荷决定了它们受到哪些力（和玻色子）的影响。当夸克与所有三种力耦合时，轻子（和反轻子）感觉不到强大的力，中微子（和反中微子）也感觉不到电磁力。上图显示了标准模型的结构（与基于4x4平方的粒子的更熟悉的图像相比，以更完整、更少误导的方式显示关键关系和模式）。特别是，这张图描绘了标准模型中的所有粒子（包括它们的字母名、质量、自旋、惯用手、电荷以及与规范玻色子的相互作用：即与强电和弱电的相互作用）。它还描述了希格斯玻色子的作用和电弱对称性破坏的结构，说明了希格斯真空期望值是如何破坏电弱对称性的，以及剩余粒子的性质是如何随之改变的。注意，Z玻色子结合夸克和轻子，并且可以通过中微子通道衰变。但标准模型最令人费解的地方可能是，与玻色子不同，费米子有“复制品”。除了组成稳定或准稳定物质的费米子粒子外，我们还熟悉：质子和中子（由上下夸克和胶子的束缚态组成）原子（由原子核构成，由质子、中子和电子组成）以及电子中微子和电子反中微子（在核反应中产生，涉及到先前存在的核组合的形成或衰变）。每一种都有两代更重的粒子。除了3种颜色的上下夸克和反夸克外，还有魅力和奇异夸克加上顶部和底部夸克。除了电子、电子中微子及其反物质对应物外，还有μ子和μ子中微子，以及τ和τ中微子。上图：大型强子对撞机阿特拉斯探测器中的四μ子候选事件。（从技术上讲，这种衰变涉及两个μ子和两个反μ子）μ子/反μ子轨道以红色突出显示，因为长寿命μ子比任何其他不稳定粒子传播得更远。大型强子对撞机所获得的能量足以产生希格斯玻色子；以前的正负电子对撞机无法获得所需的能量。由于某种原因，在标准模型中出现了三个费米子粒子的拷贝，或者说一代又一代。这些粒子的较重版本不是由传统的粒子相互作用自发产生的，而是在非常高的能量下出现的。在粒子物理学中，只要你有足够的可用能量，你就可以创建任何粒子反粒子对。你需要多少能量？无论你的粒子质量是多少，你都需要足够的能量来创造它和它的伙伴反粒子（它碰巧总是和它的对应粒子有相同的质量）。从爱因斯坦的E=mc，它详细说明了质量和能量之间的转换，只要你有足够的能量，你就可以制造它们。这正是我们如何从高能碰撞中产生各种类型的粒子，比如宇宙射线或大型强子对撞机中产生的粒子。如图所示，衰变的b介子衰变为一种轻子对的频率可能比另一种更高，这与标准模型的预期相矛盾。如果是这样，我们要么修改标准模型，要么在理解这些粒子的行为时加入一个新的参数（或一组参数），就像我们发现中微子有质量时需要做的那样。同样的道理，每当你创造出一个不稳定的夸克或轻子（把中微子和反中微子放在一边），它们总是有可能通过弱相互作用衰变为一个较轻的粒子。因为所有的标准模型费米子都耦合到弱力上，所以在下列任何粒子（奇怪的、魅力的、底部的或顶部的夸克，以及μ介子或τ轻子）衰变为稳定的第一代粒子之前，它只需要一小部分时间。只要能量允许而不是被我们宇宙中的任何其他量子规则或对称所禁止，较重的粒子总是以这种方式衰变。然而，最大的问题是，为什么会有三代粒子呢，这不是由理论动机驱动的，而是由实验结果驱动的。上图：第一次探测到的μ介子，连同其他宇宙射线粒子，但由于其速度和曲率半径，其重量是数百倍。μ介子是被发现的较重一代的粒子中的第一个，一直追溯到20世纪30年代。μ介子是费米子中最轻的，可以延伸到第一代粒子之外，当著名物理学家i.i.rabi看到这个粒子的证据时，他惊呼道：“是谁下令的？”在接下来的几十年里，随着粒子加速器变得越来越普遍，越来越充满能量，像介子和重子这样的粒子，包括带有奇怪夸克的粒子，以及后来被吸引的夸克，很快浮出水面。然而，直到20世纪70年代slac的markⅠ实验（共同发现了魅力夸克）的出现，才出现了第三代的证据：以τ子（和反τ子）的形式出现。从那以后，我们直接探测到了标准模型中的每一个粒子，包括所有的夸克、中微子和反中微子。我们不仅发现了它们，而且精确地测量了它们的粒子特性。上图：宇宙中的基本粒子的其余质量决定了什么时候以及在什么条件下它们可以被创造，也描述了它们如何在广义相对论中弯曲时空。粒子、场和时空的特性都是描述我们所居住的宇宙所必需的。基于我们现在所知道的一切，我们应该能够预测这些粒子是如何相互作用的，它们是如何衰变的，以及它们是如何对我们选择研究的任何粒子的横截面、散射振幅、分支比和事件率等产生影响的。标准模型的结构使我们能够进行这些计算，而标准模型的粒子含量使我们能够预测较重的粒子将衰变为哪些轻粒子。也许最有力的例子是z玻色子，它是介导弱力的中性粒子。z玻色子是已知的第三大质量粒子，其剩余质量为91.gev/c：几乎是质子质量的倍。每次我们创建一个Z-玻色子，我们可以实验测量它会衰变成任何特定粒子或粒子组合的概率。上图：在大型电子-正电子对撞机lep上，产生了成千上万个z玻色子，并测量了这些z粒子的衰变，以重建z玻色子的哪一部分变成了各种夸克和轻子组合。结果表明，在45gev/c以下不存在第四代粒子。通过研究我们在加速器中产生的Z-玻色子的分数，衰减为：电子/正电子对，μ介子/反μ介子对，τ子/反τ子对，以及“隐形”通道（即中微子）我们可以确定有多少代粒子。事实证明，每30个z玻色子中就有1个衰变为电子/正电子、μ子/反μ子和τ/反τ对，而每5个z玻色子中就有1个衰变为不可见的。根据标准模型和我们关于粒子及其相互作用的理论，转化为十五分之一的z玻色子（几率约为6.66%）将衰变为三种中微子中的每一种。这些结果告诉我们，如果存在第四代（或更多代）粒子，其中每一代粒子，包括轻子和中微子，其质量都大于45gev/c：已知只有z、w、希格斯粒子和顶部粒子超过这个临界值。上图：许多不同粒子加速器实验的最终结果已经明确地表明，z玻色子衰变为带电轻子的时间约占10%，中性轻子衰变为带电轻子的时间约占20%，强子（含夸克粒子）衰变为带电轻子的时间约占70%。这与3代粒子一致，没有其他数字。现在，没有什么能阻止第四代粒子的存在，也没有什么能阻止第四代粒子比我们迄今所观察到的任何粒子都要重得多；理论上，这是允许的。但是实验上，这些对撞机的结果并不是限制宇宙中世代物种数量的唯一因素；还有另一个限制因素：在大爆炸早期创造的大量轻元素。当宇宙大约一秒钟大时，标准模型粒子中只有质子、中子、电子（和正电子）、光子、中微子和反中微子。在最初的几分钟里，质子和中子最终会融合形成氘、氦-3、氦-4和锂-7。上图：大爆炸核合成预测的氦-4、氘、氦-3和锂-7的丰度，观察结果显示在红圈内。请注意这里的关键点：一个好的科学理论（大爆炸核合成）对应该存在和可以测量的东西进行了稳健的定量预测，测量结果（红色）与理论的预测非常一致，验证了它并限制了替代方案。这些曲线和红线是针对3种中微子，或多或少会导致与数据严重冲突的结果，特别是氘和氦-3。但它们会形成多少呢？这仅仅取决于几个参数，比如重子与光子的比率，它通常被用来预测这些丰度，因为这是我们唯一改变的参数。但我们可以改变任何参数，我们通常假设是固定的，例如中微子世代的数量。从大爆炸核合成，以及从大爆炸（宇宙微波背景）的余下辐射辉光的中微子印记，我们可以得出结论，宇宙中有三个-不是两个或更少，而不是四个或更多代。上图：中微子数与cmb涨落数据匹配所需的拟合。因为我们知道有三个中微子物种，我们可以利用这些信息来推断在这些早期的无质量中微子的温度等效性，并且到达一个数目：1.96K，不确定度仅为0.02K。显然，很有可能存在比我们现在所知道的标准模型预测的更多的粒子。事实上，考虑到宇宙的所有组成部分，从暗物质到暗能量，从膨胀到物质的起源，反物质的不对称性，得出没有额外粒子的结论实际上是不合理的。但是，如果附加粒子作为附加的一代适应标准模型的结构，则会有巨大的限制。它们不可能在早期宇宙中被大量创造出来。它们中没有一个可以比45.6GeV/c小。它们无法在宇宙微波背景或丰富的光元素中留下可观察到的特征。实验结果是我们了解宇宙的方式，但这些结果与我们最成功的理论框架相吻合的方式，是我们如何得出宇宙中还存在什么和不存在什么的结论。除非未来的加速器结果让我们大吃一惊，否则三代粒子就是我们的全部：不多，不少，没人知道为什么。

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