物理科学

为电弱相互作用理论和暗物质问题的扩展揭示潜在的几何结构

标准模型描述了我们所知道的所有基本粒子和力的行为,它适用于物理学家迄今为止进行的所有实验。然而,令人沮丧的是,这个理论还远远不够完善。柏林马克斯·伯恩研究所的约阿希姆·赫尔曼博士认为切线束是标准模型扩展的基础几何结构,也可能是调节宇宙四种基本力的基本物理相互作用的统一理论。他的工作可能会引出人们期待已久的超越标准模型的途径;这可能会让我们离解决暗物质问题更近一步,暗物质是天体物理学中最深奥的谜团之一。

宇宙的物理法则是由四种基本力所支配的。除了引力和核力之外,还有带电粒子间产生的电磁力;原子核的弱力,这就是放射性衰变的原因。物理学家在20世纪60年代取得了重大突破:发现最后两种力可以用单一理论来描述,即Weinberg-Salam-Glashow理论(也被称为电弱相互作用的标准模型)。这个理论描述了轻子(如电子)被粒子介导的相互作用,称为“规范玻色子”;光子为电磁力;弱的是W和Z玻色子。该理论基于所谓的规范原理,并要求在规范转换上将电弱势(描述电弱力)的变化与电子波函数的变化联系起来的物理定律的不变性(独立性)。规范变换由在大量实验观测基础上经验发现的特殊数学群SU(2)xU(1)描述。同时,强相互作用也由规范理论与另一个规范群(群SU(3))描述,但与电弱理论没有直接联系。

尽管在解释了大量的实验观察方面,但标准模型仍有巨大成功,尽管标准模型具有几个未解决的问题。其中一个无法解释的和某种方式神秘的问题是家庭问题。六种类型的leptons(电火箭相互作用的物质颗粒)和六种类型的夸克(强相互作用的物质颗粒)分为三个家族。电子和电子中微子是第一个家庭,米珍和迈恩 - 中微子的第二个,以及tou和tou-neutrino第三个家庭。然而,除了质量之外,这三个家族具有相同的物理性质,并且具有相同的内部量子数的ISO-Spin和超充电。然而,在标准模型中不能解释这个所谓的家庭问题。此外,一个基本问题是缺乏对暗物质颗粒的解释。现在已知暗物质在宇宙中占所有物质的85%,但其成分具有完全落实的研究人员。

使用切线捆绑......在几十年来的标准模型中的空隙可能最终填充。

规范理论的纤维束解释
爱因斯坦的广义相对论是基于这样的思想,即决定引力的物理定律相对于一般的时空坐标变换是不变的。例如,在快速移动的火箭上观察到的物理定律应该与在地球上观察到的物理定律相同。牛顿的万有引力理论并没有满足这个普遍的要求。爱因斯坦把这个相对论的要求作为发展他新的引力理论的指导原则,而没有任何实验线索来改进以前的理论。在他的理论中,基本的几何结构被证明不是欧几里得几何(直到那时人们普遍认为),而是一种更一般的几何——黎曼几何。在这里,引力是空间和时间的属性,因为基本的理论实体(度规黎曼张量)决定了长度和时间间隔的度规关系,以及物理引力。

宇宙的物理规律仅仅是四个基本力量的管辖:重力,核强势,电磁力,核弱力量.Zita / Shutterstock.com

在他生命中的下半年,爱因斯坦和许多其他人根据物理力的几何原则制定了统一的电磁和重力理论;不成功,挑战被搁置多年。然而,在60h中,找到了标准模型的仪表理论与纤维束的数学理论之间的有趣联系;重要的是,它弥合了几何计划。纤维束直观地是一个几何结构,其中分配了不同歧管(光纤)的空间的每个点。在纤维束中,解释规格变换在几何上被理解,因为沿着固定空间点和仪表电位的纤维轴的变换用几何实体识别:束上的所谓连接。

......潜在地让我们更接近解决暗物质问题 - 天体物理学最深刻的谜团之一。

光纤束解释是一个美丽而数学上深刻的概念,但一个关键问题仍未得到答复。哪种特定光纤歧管是基本物理互动理论的几何基础?到目前为止,研究人员使用与纤维相同的转化组作为标准模型的现象学确定的内部对称组。但这种方法在没有多少新的身体洞察力的情况下重新解释了仪表领域。它不带我们超越标准模型。

粒子物理的标准模型。组成物质的12种基本粒子和4种基本力载体。Designua / Shutterstock.com

探索切包
Herrmann博士解决了这些问题。他探索了最基本的纤维束,切线束,切线束可以是标准模型的延伸的潜在的几何结构。切线束是一种特殊的纤维束,其中切线矢量被用作纤维歧管。这里,仪表变换被识别为沿切线矢量轴的变换,使几何结构不变。有趣的是,这种方法不需要在标准模型中引入现象学确定的仪表组,但通过内部理论原因提供不带任何实验暗示更一般的对称组的实验性暗示。在广义理论中,标准模型的单一组U(1)代替中央延伸的Eucridian组EC(2)。

通过这种更广泛的EliftWeak理论方法,可以在标准模型和暗物质粒子之间绘制新的连接。

新物理学中
物理学家已经熟悉的标准模型作为一种极限情况从扩展理论中出现,这对任何广义理论都是必要的。然而,除了已知的等自旋和超电荷的内部量子数外,广义理论预测了两个新的内部量子数。有趣的是,这些额外的量子数的存在描述了家族的存在,电子的“兄弟”,myon和tau-lepton,这将该理论与标准模型区分开来。除了已知的规范玻色子(光子、Z和w玻色子),预测了三个新的规范玻色子,它们介导了另外的第五种基本相互作用。最后,有了这个广义理论,我们就可以找到新的途径来解释物理学中一个长期存在的谜团:暗物质的存在。

Herrmann的理论博士可以为标准模型的当前限制提供关键的新洞察力。

揭开暗物质的神秘面纱
与计算相比,星系与计算中的星系内的星系运动的运动的天体物理观察发现了暗物质的主要证据。通过观察重力透镜或通过宇宙微波背景辐射来发现暗物质存在的其他签名。这些观察结果表明星系包含比天文观测可以看到的含量更多的质量。计算还表明,如果群体的唯一质量可以看到天文学测量,则星系的簇会分开。这些观察结果揭示了未知的非辐射颗粒的存在,表示为暗物质,其构成宇宙总质量的85%。除了引力之外,暗物质颗粒也只有与宇宙的可见部门相互作用。这些颗粒在标准模型中不存在,这使得这已经驱动了强烈的理论研究和假设模型建筑,四分之一世纪。许多检测暗物质粒子的实验正在全世界积极进行,但无济于事。

大型强子对撞机在CERN.Anquetas/Depositphotos.com

Electroweak相互作用广义理论的发展的主要目标不是描述暗物质。然而,该理论表现出一种显着的特征:这种颗粒的可能性在没有任何额外的模型假设的情况下躺在新规格扇区内。这可以通过适当分配内部量子数来观察。由于暗物质颗粒不受电陶器力的相互作用,因此ISO-Spin和超费(标准模型中也已知)的内部量子数应为零,而新的内部量子数(仅在广义理论中产生)应该是非零。结果,预测了暗物质颗粒的可能存在,并且对彼此之间的暗母颗粒之间的相互作用的特定后果,而且通过与Hggs和Z-糖零的相互作用的与已知颗粒非常弱的相互作用决定。

爱因斯坦的广义相对论是基于这样的思想,即决定引力的物理定律相对于一般的时空坐标变换是不变的。帕诺斯卡拉斯/ Shutterstock.com

超越标准模型
当物理学家们继续在标准模型之外寻找宇宙本质的解释时,赫尔曼博士的理论可以为其目前的局限性提供关键的新见解。使用切线束描述几何实体的电弱力,并将规范变换识别为沿切线矢量轴的几何变换,标准模型中经受了几十年的空白可能最终被填补。通过这种对电弱理论更一般化的方法,可以在标准模型和暗物质粒子之间建立新的联系;这可能会带来更好的技术来寻找这种难以捉摸的物质。

如果广泛接受的广义理论,可以将新成员添加到标准模型的物质粒子类型和衡量磁玻色子中。最终,这可能引入新的身体现象,甚至可以在全球努力中提供新的方式,以统一Electweak理论与剩余的基本力量。

michaeltaylor / shutterstock.com.

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这个研究计划的下一个挑战是将夸克的强相互作用纳入切线束的几何方法。第二个目标是找到自发对称的微观基础,打破扩展理论中的电弱规范对称(希格斯机制),并理解轻子和夸克的质量产生机制。

此功能文章是通过批准的研究团队特色而创建的。这是一个协作的生产,由特色辅助,全球分销提供支持。

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