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假设希格斯玻色子的质量变化发生在宇宙的某个地方,“激波前沿”将以何种速度传播?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2020-09-06 10:21:35

不要让那些令人窒息的科普报道让你夜不能寐。

我查看了实际的论文(缩放不变的瞬子和标准模型的完整生命周期,在知识共享许可下向所有人提供)。这是一份巨大的报纸,42个密集的排字,在物理评论中技术性很强。让我把它的摘要复制粘贴到这里

在经典尺度不变的量子场论中,隧穿率是红外发散的,因为存在任意大小的瞬子。虽然人们期望这种分歧可以通过量子效应来解决,但目前还不清楚高环修正如何解决在一个环中已经出现的问题。通过仔细的幂次计数,我们发现了一系列占主导地位的循环贡献,并对所有必要的项进行求和。我们也澄清了以前有关全球对称、规范固定和有限质量效应的不完整处理。此外,我们对标量、费米子和矢量玻色子在标度不变弹跳周围的泛函行列式给出了精确的封闭解,证明了矢量情况下的明显规范不变性。随着这些问题的解决,我们第一次完成了宇宙寿命的计算:10139年。有95%的把握,我们预计宇宙的寿命将超过10^{58}年。不确定性是部分实验不确定性的顶部夸克质量和部分理论不确定性的电弱阈值修正。使用我们的完整结果,我们在平面中提供相位图,带有不确定带。为了排除绝对稳定性,顶部夸克极质量的不确定性必须被推到250 MeV以下,或者不确定性被推到0.00025以下。

底线似乎相对简单。利用粒子物理标准模型的所有可用的、实验测量的参数,作者计算了电弱理论的真空不是最低能态的可能性。这是他们论文中的一个图表,可以说明我在说什么:


这张图绘制了希格斯玻色子质量和顶夸克质量的稳定、亚稳态和不稳定区域。橙棕色椭圆区域与实际测量值相对应,在作者的阅读中,这表明我们的宇宙是亚稳态的,这意味着它最终衰变到一个较低能量状态的非零概率。

好的,让我先解释一下这些词的意思。就我们所知,这种变成低能态的衰变已经发生过一次了。非常早期的宇宙(在“电弱时代”及之前)与今天的宇宙有很大的不同。像电子和夸克这样的粒子是无质量的。那时还没有电磁学;相反,有两个无质量的光子和另外两个带电荷的无质量类似光子的粒子。还有一个场叫做希格斯双重态:一对复杂值的场,具有一些相当奇怪的特性,主要是这个双重态场的最低能量状态,与场的未激发态不一致。简而言之,通过创造粒子,我们有可能从无中提取能量。

当宇宙温度很高,密度很大,粒子不断产生和毁灭,周围有大量的过剩动能时,这一切都无关紧要。但是随着宇宙的膨胀和冷却,可用动能减少了。最终,它达到了比未激发态希格斯场的能量还低的状态。“未激发”通常意味着“真空”(没有粒子)。但由于希格斯场的工作方式,它现在可以开始创造粒子(不,这不是我们今天知道的希格斯玻色子,这些是希格斯双态的激发态),以达到较低的能量状态。

简而言之,这意味着真空是不稳定的。其结果是相变到这个较低的能态。这意味着创造了一个希格斯双态激发的“海洋”,但它们并不是到处都有;可以说,它们与模型中的其他粒子结合在一起,包括夸克、电子和四种矢量玻色子中的三种。所以现在这些粒子以前所未有的方式与新的低能态“真空”相互作用。这改变了它们的行为:相对于这个新的真空,它们现在表现得好像它们是大质量的粒子。同时,这些相互作用也改变了希格斯场本身。两个复杂场意味着四个自由度,但其中三个最终与三个大质量玻色子绑定。剩下的自由度就是我们今天所说的希格斯玻色子。它是一个质量非常大的粒子,寿命非常短暂,由最大的粒子加速器产生,但却立即衰变,在日常物理中没有任何重要作用。也许一个遗迹。

这就是由自发的对称破缺引起的相变对理论的影响。你会问,在哪里发生的?几乎无处不在。它是作为一个物理过程从一个地方传播到另一个地方吗?我不是这样解释方程的。相反,在不断扩大,非常均匀宇宙,成为条件对到处都在同一时间对真空衰变成这个新的开始,低能态的所谓的真空期待值希格斯场是零,和其他粒子的夫妇,让他们有效质量。

所以问题是,这种情况还会重演吗?有没有可能有更低的能态存在?这就是这篇论文要探索的,特别是希格斯场本身的耦合常数“运行”的可能性的结果,也就是说,可以作为能量的函数改变。如果是这样的话,那么在某个时刻,一个新的、更低能量的状态出现,宇宙“重组”自身,改变基本粒子的质量和行为,这是可以想象的,即使这个事件发生在难以想象的遥远的未来。

话虽如此,我也注意到,即使是这篇论文的作者也不能排除使用三西格玛置信度的绝对稳定性。也就是说,随着参数值的细化和我们对标准模型的理解的提高,我们可能会很好地发现,我们的宇宙毕竟是稳定的,不会与本文中的任何东西相矛盾。

然而,由于某些原因,这个话题不时出现,很容易被误解。例如,几年前的一个新闻发布会上称,“地球上的每一粒沙子,每一个太阳系中的行星和星系——将成为数以百万计的数十亿倍比现在重,这将带来灾难性的后果:新的重量将所有材料挤在一个小,超级热,超级重球。“这完全是胡说八道。我的意思是,他们从哪里想出这些东西的?天哪。相比之下,目前的新闻稿使用了相当温和的语言,尽管他们仍然谈论“一场能量爆炸,它将消耗已知宇宙中的一切,并颠覆物理和化学定律。”“呃……不。这种性质的相变不是能量的爆炸。上次我发现,当我在冰箱里做冰块时,它也不会爆炸。水结冰时释放的潜热只是延迟了冷却时间。
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