在粒子物理学的浩瀚宇宙中,传统粒子图像早已深入人心。然而,近年来,一种与传统粒子截然不同的存在形式——非粒子(unparticle)与非核(unnuclear)物理,正悄然成为理论物理学家们探索的新领域。
提到粒子物理与原子核物理,人们或许并不陌生。原子核物理已经通过核电等形式深刻影响了我们的日常生活,而粒子物理也频繁出现在各类科普文章与讲座中。尤其是2012至2013年间,“上帝粒子”Higgs玻色子的发现,更是为粒子物理标准模型补上了最后一块重要的拼图。
相比之下,非粒子与非核物理就显得较为神秘了。它们并非指粒子物理与原子核物理之外的其他物理方向,如凝聚态物理、原子分子光学等,而是粒子物理内部一种全新的粒子存在形式。这种新形式挑战了我们对粒子的传统认知。
粒子物理的研究通常依赖于粒子在不同变换下的行为规律。比如,通过空间平移、旋转观测、不同速度下的惯性参考系观测以及时间变化观测等,科学家们能够捕捉到粒子的变换规律,进而对粒子进行分类描述。这些变换构成了庞加莱群,而粒子则是庞加莱群的不可约表示。
然而,除了庞加莱群变换外,还有一种变换在物理中同样重要,那就是标度变换,也就是伸缩变换。在凝聚态物理中,一些二级相变在相变临界点就具有标度变换不变性。但在粒子物理的标准模型中,由于很多粒子都具有质量,在标度变换下质量会发生变化,因此标准模型并不具备标度变换不变性。
2007年,哈佛大学理论物理学家Howard Georgi提出了一种新的理论,他认为在标准模型之外,还可能存在一个满足标度不变性的隐藏区。这个区构成了共形群(包含标度变换和庞加莱子群的一个群)的不可约表示,其中的粒子就是所谓的非粒子。这些非粒子没有确定的质量和质能关系,呈现出与传统粒子截然不同的特性。
尽管非粒子的概念在理论上得到了广泛的研究,但在目前的对撞机实验中,科学家们还未观测到来自非粒子的明确信号。不过,2021年,Hans-Werner Hammer与Dam Thanh Son在低能核物理与强子物理中又发现了一种“非相对论的非粒子”,它们构成薛定谔群的不可约表示。与尚未发现实验证据的相对论非粒子不同,非相对论的非粒子在自然界中是近似存在的,只需满足粒子相互作用的低能散射长度远大于其他标度。
非核物理作为非粒子物理在低能领域的一种体现,同样引起了科学家们的关注。虽然目前对于非核物理的唯象研究还相对较少,但科学家们相信,随着研究的深入,非粒子与奇特强子态之间更深层次的关系将会被揭示出来。
非粒子与非核物理的发现,不仅丰富了粒子物理学的内涵,也为科学家们提供了新的研究方向和思路。随着科学技术的不断进步和实验设备的日益完善,相信在不久的将来,我们能够揭开非粒子与非核物理的神秘面纱,探索更多未知的粒子世界。