超越
标准模型

标准模型尚未解答的问题

标准模型以惊人的精度描述了所有已知的基本粒子以及四种基本相互作用力中的三种。μ子的反常磁矩已被预测到百万分之一的精度——尽管不同理论计算方法之间至今仍存在一处未解决的张力。早在希格斯玻色子被发现的约35年前,即上世纪70年代末,其质量就已经被理论上限定。它是科学史上经受检验最充分的理论之一。

然而,物理学家们清楚它并不完备。这并非因为实验证伪了它,而是因为这个模型根本无法回答宇宙学与物理学中的一些核心问题。至少有六个根本性的空白已被确认:

超越标准模型的理论

宇宙真正由什么构成

标准模型所描述的可见物质仅占宇宙的5%。27%是暗物质——一种通过引力相互作用、却不发射、吸收或反射光的物质形式。68%是暗能量——一种神秘的反引力效应,推动着宇宙加速膨胀。

暗物质最有力的候选者是WIMPs(弱相互作用大质量粒子)——一种假设的粒子,仅通过弱相互作用力和引力发生作用。尽管经过数十年的直接探测实验搜寻(LZ/LUX-ZEPLIN、XENON、PandaX),迄今仍未发现WIMPs。这排除了大片参数空间,但仍留下许多可能性。

粒子物理学的未来

下一代实验有望带来新的洞见:高亮度LHC(HL-LHC)预计从2030年起大幅提高对撞频率,使稀有过程变得可观测。新型加速器的方案有望直接产生新物理:FCC(未来环形对撞机,规划隧道周长约91公里)在其最终阶段FCC-hh计划达到高达100 TeV的能量尺度;相比之下,ILC(国际直线对撞机)则被设计为250 GeV到最高约500 GeV至1 TeV范围内的精密"希格斯工厂",而非100 TeV量级。

引力波探测器(LIGO、LISA)、中微子望远镜(IceCube)、宇宙微波背景观测任务以及直接暗物质探测器都打开了新的观测窗口。粒子物理学下一个重大发现,既可能来自加速器,也可能来自某台宇宙观测仪器。

标准模型将继续作为理论框架存在——但这是一个等待被补全的框架。问题不在于是否会找到新物理,而在于何时找到、找到怎样的新物理。LHC上的每一次测量、每一次对宇宙深处的观测、每一台深埋地下的探测器,都是通向自然更深层理论拼图中的又一块碎片。