此粒子只有引力,沒有電磁力、弱力和強力!這是暗物質粒子嗎?

暗物質看不見,摸不著。它們只參與引力,不參與電磁力,強力,和弱力。如果我們能找到一種粒子,和暗物質的屬性一樣,也僅參與引力,而不參與其他三種基本作用力,那麼我們就有理由相信這種粒子可能就是暗物質粒子。

標準模型已經預言了這樣一種粒子的存在,這就是惰性中微子

標準模型建立的邏輯十分簡單,先找出組成世界萬物的最小粒子,然后放到一個可以描述這些粒子之間相互作用的整體框架內。

標準模型里的粒子之所以叫基本粒子,是因為這些粒子不可以再細分了,或者說,這些粒子內部的結構暫時還不知道。

目前人類已經找到了61種基本粒子,如果去掉反物質和夸克的色荷。也就只剩17個基本粒子了。這下再分析標準模型就簡單多了。

這是17個基本粒子的標準模型。

左邊這12個基本粒子負責組成物質,右邊這5個基本粒子雖然不形成物質,但是負責左邊這12個粒子的相互作用和質量的形成。

構成物質的基本粒子也叫 費米子,傳遞力和形成質量的粒子也叫 玻色子

在費米子中,上面六個是不同種類的夸克,夸克參與強力,弱力,電磁力和引力。所以,夸克也是為數不多,同時參與四種相互作用力的粒子。

一般情況,3個夸克會通過膠子形成強力,然后捆綁在一起形成質子或者中子。

中間是 電子, μ子,τ子這三種基本粒子,電子質量最小,τ子質量最大,μ子質量介于中間。質量越大,越不穩定,壽命越短。

μ子和τ子除了質量比電子大,其他性質和電子幾乎一樣,可以視為放大版的電子。它們都帶電荷,只參與電磁力,弱力和引力。

如果這三種基本粒子都不帶電,那分別就變成了電中微子,μ中微子,τ中微子。

中微子不帶電,所以不參與電磁力。它只參與弱力和引力,不參與強力和電磁力。

在這里有必要科普一下弱力,常見的弱力一般在β衰變中

在元素周期表中,序號比較大的原子,核內的質子和中子數就比較多。往往越簡單的事物越穩定,核子數一多,原子的結構就不穩定。所以原子核內的質子和中子就很容易互換身份。

質子和中子都由夸克構成,身份互換也是由夸克的變化決定的,學術上叫「夸克味變」。這種變化由弱力引起,負責傳遞弱力的粒子就是W和Z玻色子

當核內質子變成中子,或者中子變成質子時,都會釋放中微子。這是中微子唯一的來源。所以中微子都是由弱力釋放出來的。現在先記住這個結論,下面要用到這個結論。

現在咱們再整體分析一下這12種費米子,上面的夸克類,會參與四種基本作用力。

中間的電子類,不參與強力,只參與其他三種力。下面的中微子類,除了強力和電磁力,只參與了弱力和引力。

縱向對比一下,越往下的基本粒子,能參與的作用力越來越少。

如果標準模型還能拓展出新的基本粒子,并且排列在中微子之下,那這些新的基本粒子是不是就只能參與引力了?

如果只參與引力,而不參與電磁力,那麼這些粒子肯定就看不見,也摸不著,這不正是暗物質嗎?

標準模型就預測了這種粒子的存在,當然不是我剛才說的那種思路。

現在我們已經知道,每一種費米子都有自己的反粒子。反粒子和正粒子之間必然有某些完全相反的屬性。

比如電子帶負電,反電子就帶正電。電子與反電子的相反屬性就在于電荷的正負。

而中微子呈電中性,不帶電。

所以中微子和反中微子一定還有其他相反的屬性。這個相反的屬性就是手性!

手性的概念一旦粘上量子力學,那非專業人士就不要指望能理解這種概念了。即便再怎麼通俗,也找到任何經典概念與之對應。任何能聽懂的解釋都是不嚴謹的。

所以我在這里科普,肯定也不是手性真實的情況,大概就這麼一個意思,真要搞懂起碼得讀個研。

微觀粒子都有螺旋度,這個螺旋度和粒子運動方向相對應。

螺旋度如果是右旋就是順時針旋轉,左旋就是逆時針旋轉。螺旋度和測量者的速度有關。

手性和螺旋度比較相似,手性有左手性和右手性,這和粒子的旋轉度有關。和旋轉度不同的是,手性不隨觀測者的速度而改變,所以手性是粒子的一種內在秉性。

正反粒子之間除了電荷相反,手性也是相反的。

這是一個電子和反電子。e這個字母代表的是電荷,e上面帶橫杠表示帶的是負電,不帶橫杠表示帶正電。

所以下面帶負電的是電子,上面帶正電的是反電子(正電子)

R代表右手性,L代表左手性。電子和反電子都有左右手性。所以左手性電子對應的反物質就是右手性反電子。

手性不一樣的粒子嚴格來說就是兩種不同的粒子。所以正反電子按照手性劃分就有四種類型。

同時,手性也決定了一個粒子能否參與弱力。

左手性的電子會受到弱力作用,而右手性的電子則不會。

但是這種作用在反電子上剛好是相反的。

在反電子中,右手性的反電子會受到弱力的作用,而左手性的反電子則不會。

正反粒子按照手性劃分有四種類型,這就意味著只有左手性正粒子和右手性反粒子這兩種粒子才會參與弱力作用,其他兩種則不會參與弱力。

這下就終于用到了我剛才讓你們記住的結論了:所有的中微子都是通過弱力釋放出來的。這就意味著,在四種手性的正反中微子中,我們只能觀測到左手性的中微子和右手性的反中微子。

而右手性中微子和左手性反中微子,我們是觀察不到的。它們不參與弱力,也不參與強力,更不參與電磁力。

但它們肯定是有質量的,所以只參與了引力。這種中微子就叫惰性中微子。

惰性中微子已知的這些性質和預測的暗物質粒子十分類似。所以惰性中微子的概念剛提出來,就直接變成了「熱暗物質」的候選粒子。

目前物理學家還沒有找到惰性中微子。但相關的驗證實驗一直在進行。

2011年,在美國費米國家加速實驗的一項μ中微子穿過礦物油的實驗中,發現中微子束流比之前反應堆中微子模型計算值 超出3%,考慮中微子的反應截面后,預測可探測的反應堆中微子事例數增加6% ~ 7%。所以早前短基線反應堆中微子實驗的數據就會有6%~7%的消失,這稱為「反應堆中微子反常」,這種異常可能就和惰性中微子有關。


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