《物理评论D》：在宇宙中寻找比夸克更小的“前子”

旅行家

《物理评论D》：在宇宙中寻找比夸克更小的“前子”

其致密度好比把月球质量集中于豌豆大的物体

（译等作者：任霄鹏 科学网 www.sciencenet.cn）

发布时间：2007-12-3 16:15:1       



图片说明：有比夸克还小的粒子吗？

（图片来源：ArSciMed / SCIENCE PHOTO LIBRARY）

瑞典科学家最近提出，如果组成质子和中子的夸克确实是由更小的粒子——前子（Preon）构成的，那么在宇宙中可能探测到比中子星、夸克星更加致密的前子星，它的致密程度就好比把月球质量集中在豌豆大小的物体上。相关论文在线发表于《物理评论D》（Physical Review D）上。

瑞典吕勒奥理工大学（Luleå University of Technology）的Fredrik Sandin和Johan Hansson表示，前子可能存在于宇宙大爆炸后的超密块状物中，而这些物体可以被现有的天文观测技术探测到。这一结论使一项高度不确定的假说成为了一个可检验的观点。如果前子星确实存在，它们或许会占宇宙暗物质质量的很大一部分。

长期以来，人类逐渐知道了各种粒子间的组成关系。原子由质子和中子（合称强子）以及很轻的电子构成。强子又是由6种类型的夸克组成的。此外，还有6种与电子相关的基本粒子——轻子（Lepton）。

1974年，物理学家Jogesh Pati和Abdus Salam猜测，一类称为“前子”的微粒家族或许可以解释夸克和轻子的分化。1999年至2002年，Hansson和同事在《高能物理—现象学》（http://www.arxiv.org/abs/hep-ph/9909569）和《欧洲物理学快报》（J. Europhys. Lett. 60, 188–194，2002）上提出，三种类型的前子就足以构建所有已知的夸克和轻子。

2005年，Hansson和他的学生Sandin继续研究了物质能否以前子的状态结合成块，而不是“冷凝”成为夸克或者强子，所得到的答案是可能（Phys. Lett. B 66, 1-7，2005）。这些前子块（前子星）要比夸克星和中子星更加致密。

研究人员认为，前子块不可能由恒星坍塌形成，但可以是宇宙大爆炸的遗迹。当新生宇宙膨胀时，其中的物质不断变得稀薄，从而由前子物质成为夸克物质，最终成为构建恒星和星际气体的原子。不过，Hansson表示，一些宇宙早期的前子物质可能结合形成稳定的“气泡”，从未发生上述变化。

研究人员计算认为，这些前子“气泡”的质量小于普通恒星，不会超过地球质量的100倍，直径也不会超过一米。尽管没有下限，但Sandin和Hansson认为最小的前子块应该有豌豆大小，它的质量略小于月球。

可以想象，这样的物体散落在浩瀚的宇宙中有多么地难以发现。不过，研究人员表示，还是有一些方法能够找到它们。首先，从地球上看来，这些超密的物体能够弯曲其周围从背后射来的光线，也就所谓的“引力透镜效应”（gravitational lensing）。Sandin和Hansson表示，由于前子块很小，它们会对宇宙伽马射线产生最强烈的影响——让伽马射线光谱产生特殊的摆动。

如果两个前子块恰好由于引力形成共轨的双“星”系统，并且位于太阳附近，那么它们发射出的引力波（时空波动）就会被引力波探测器（gravity-wave detector）捕获。而如果这两个前子块很小，它们所发出的高频波动甚至无需使用现有的大型探测器，只需要桌面型设备就能探测到。

此外，一旦微小的前子块撞击了地球，还会激发出可探测的地震波。Hansson说，它们如此之小，只能在地球上钻一个洞。不过，它们会在直线的运动路径上留下地震波的踪迹，这与大陆板块间的摩擦有明显的差异。

现在，创造前子物质看起来是不可能了，因为这需要重现大爆炸的情景。那么，其他的物理学家会对前子星的说法有何反应？Hansson自己说，“他们要么十分热衷于此，要么认为这些都是毫无价值的垃圾，处于二者之间的人可不多。”

不过，英国玛丽女王学院（Queen Mary College）的理论物理学家John Charap似乎是这样一个中间者。他说，“这不是一个完全疯狂的想法，毕竟我们需要一些不错的疯狂观点来在认识暗物质方面取得进展。我们现在在为寻找暗物质合理的解释方法而挣扎，新的观点可能与其它一些一样，是不错的候选。”（科学网 任霄鹏/编译）
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2007123162056915195665.html

（《物理评论D》（Physical Review D），arXiv:astro-ph/0701768v2，F. Sandin, J. Hansson）

更多阅读（英文）

《物理评论D》论文摘要：

http://arxiv.org/abs/astro-ph/0701768

旅行家

前子

开放分类：物理物理学名词

前子，简单的说是一种学说，前子组成夸克，是一种更小的粒子。

摘要

目录
1越来越小
2大气泡
3大幅度弯曲
4观察黑暗

　　 夸克是由更小的成分组成的，那么答案便是肯定的

宇宙里有豌豆大小却比月球重的物质存在吗？假如原子的组成物夸克是由更小的成分组成的，那么答案便是肯定的。

　　瑞典吕勒奥理工大学（Luleå University of Technology）的Fredrik Sandin和Johan Hansson表示：这种叫做前子的假设粒子，可能存在于宇宙形成早期留下的大块浓稠物质中。他们的研究预言；这种超重物质在现今的天文学技术条件下，是可以观测的。这一论断将这一高度假设的理论变成了一个可检验证实的想法。

　　如果前子星确实存在，它们或许会占宇宙暗物质质量的很大一部分。
前子 - 越来越小
　　
原子是由质子和中子（合称强子）及质量微小的电子构成的

众所周知，物质具有俄罗斯套娃(Russian-doll)的性质。原子是由质子和中子（合称强子）及质量微小的电子构成的。而强子则是由6种夸克构成的。另外，还有6种与电子相关的基本粒子——轻子。
6种与电子相关的基本粒子——轻子

　　1974年，物理学家Jogesh Pati和Abdus Salam猜测有一类叫做前子的粒子存在。而前子的存在，可以很好地解释夸克和轻子出现的原因。1999年Hasson及其同事断定；3种前子就足以构成目前所有已知的夸克和轻子了。

　　2005年Hasson和他的学生Sandin继续研究；前子聚合是否会生成除夸克和轻子以外的物质，答案是可能的。而且这种前子聚合物是密度比夸克星和中子星还要大的凝块。与中子星比较，前子星是一个把拥有太阳质量的星球压缩成的一个直径不超过纽约长岛的球体。

详细：
http://www.baike.com/wiki/%E5%89%8D%E5%AD%90



前子：

http://baike.baidu.com/link?url= ... abbS45XMPW4WzIBbZ6K

http://baike.baidu.com/view/1395465.htm

现代化研

欧洲大型强子对撞机打破能量纪录：

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/5/319745.shtm

  

大型强子对撞机产生全新物质：

http://news.sciencenet.cn/htmlpaper/201212310451195027010.shtm

  

在LHC上探索夸克内部结构研究获进展：

http://news.sciencenet.cn/htmlpaper/201141210565065516099.shtm

现代化研

作者： J.?B. Whitmore

来源：《物理评论快报》

发布时间：2015/3/2 11:36:45

质子电子质量120亿年未发生变化

一个国际研究团队根据来自欧洲南部天文台甚大望远镜（VLT）的数据发现，经过超过120亿年的时间，质子和电子的质量并没有出现可测量的变化。这意味着传统暗能量理论或将面临重新思考。相关论文发表在《物理评论快报》上。

据物理学家组织网近日报道，该团队由来自荷兰阿姆斯特丹自由大学和澳大利亚斯威本科技大学的4位科学家组成，他们认为这一研究结果有望为解释暗能量提供帮助。

一些理论认为，暗能量这种神秘的力量会导致宇宙不断膨胀，并且随着时间的推移会逐渐发生演变。当暗能量与光反应时，会对作用域的时间产生影响，此时作用域的能量产生跃迁，根据爱因斯坦相对论，作用域内的物质质量会有减少。由于宇宙空间不断发生的中和反应，作用域内的物质质量不断减小致使物质的引力减小，出现宇宙膨胀。

如果真是这样，可能意味着我们所习以为常的很多常量，如重力、光速等常数也会随着时间而改变。在新的研究中，研究人员试图对这一假设进行验证，看看经过上百亿年的时间，质子或电子这两种基本常数的质量是否发生了变化。

为此，研究人员观察了一个遥远的位于银河系后面的类星体。这种类星体多少也有些神秘，一直让天文学家感到困惑不解。它们距离地球至少100亿光年，是迄今为止人类所观测到的最遥远、最明亮的天体，能发射出比星系能量高千倍以上的光和射电，这种超常亮度使其在100亿光年以外就能被观测到。但与其巨大的能量不相匹配的是，类星体却不可思议地小，与直径大约为10万光年的星系相比，类星体的直径大约为1光天。天文学家认为，这有可能是物质被牵引到星系中心的超大质量黑洞中，导致大量能量释放所致。

研究人员发现银河系中的氢分子会吸收一些来自类星体的光线，这允许他们测量出这个过程中所发生的能量跃迁，以及质子和电子质量的比率。由于该星系先前已经被追溯到124亿年前，由其发出的光应该比这个时间更久。研究人员的测量显示，经过120亿年，它们的质量并没有偏离（在10的负6次方精度范围内）目前我们所使用的常数。

因此，研究人员声称，如果暗能量是不断发展的，如此长的时间里它们不会不发生变化。（王小龙）

http://news.sciencenet.cn/htmlpa ... 35827.shtm?id=35827

http://journals.aps.org/prl/abst ... sRevLett.114.071301

现代化研

论文作者：Sergey Mashchenko

期刊：《科学》

发布时间：2007-11-30 12:41:47

宇宙暗物质模型研究



图片说明：大爆炸10年后形成的矮星系。背景图的尺度约为10万光年，插入图是中央2000光年尺度的矮星系。黄色是行星，紫—蓝—绿—白的颜色变化表示星际气体密度的增加。

（图片来源：S. Mashchenko, J. Wadsley, and H. M. P. Couchman）

加拿大科学家利用超级计算机进行的一项最新模拟研究，揭示了在星系诞生时，星际气体和暗物质间的猛烈作用和重要关系。这一发现弥补了现行宇宙演化模型和暗物质模型的漏洞和瑕疵。相关论文97-11月29日在线发表于《科学》（Science）杂志。

已被科学家广泛接受的冷暗物质宇宙学模型（Cold Dark Matter model，简称CDM）存在一个悬而未决的问题，即用CDM模型预测出的星系中央暗物质远超过实际观测得到的数字。论文第一作者、加拿大麦克马斯特大学（McMaster University）物理与天文学系的副教授Sergey Mashchenko表示，“CDM标准模型在宇宙大尺度上（数百万光年以上）取得了巨大的成功，不过在预测星系内在性质上却屡屡受挫，其中最麻烦的问题就是主宰星系质量的神秘暗物质。”

利用加拿大最先进的“共享分级学术研究计算网络”（SHARCNET），研究人员对矮星系的形成进行了模拟研究，阐明了星系在诞生时经历的极度猛烈的过程——厚密的气云收缩形成大质量恒星，而这些恒星在死亡时，又发生剧烈的超新星爆发。

Mashchenko表示，“这些巨大的爆炸会推动星系中央的星际气云来回运动，我们的高分辨率模型精确表明，这种类似于浴缸中水流运动的‘晃荡’作用，能够将大部分的暗物质‘踢’出星系中央。”

研究人员认为，宇宙学家长期以来对星际气体的能力和在星系形成中的作用估计不足，新的研究结果有望使科学家重新考虑这一问题，并加深对暗物质的理解。（科学网 任霄鹏/编译）

（《科学》（Science），DOI: 10.1126/science.1148666，Sergey Mashchenko, H. M. P.

http://news.sciencenet.cn/html/showpaper.aspx?cn=1&id=251

http://science.sciencemag.org/content/319/5860/174.abstract

现代化研

论文作者：James M. Valles

期刊：《科学》

发布时间：2007-11-23 14:39:50

绝缘体中也存在“库珀电子对”

美国物理学家最近惊讶地发现，库珀电子对不仅存在于超导体中，它们在绝缘体中同样能够形成。这一成果十分重要，连Cooper本人也给予了高度评价。相关论文发表在11月23日的《科学》杂志上。

一个世纪前，荷兰物理学家Kamerlingh Onnes在金属中发现了低温超导现象。直到1957年，理论物理学家John Bardeen、Leon Cooper和Robert Schrieffer才揭开了超导现象的奥秘。他们提出的BCS理论表明，超导材料中的电子成对存在，即所谓的“库珀对”，并且会在材料中平稳而无限地流动。

在BCS理论提出50周年之际，美国的物理学家又写下了令人惊讶的一笔。布朗大学的James Valles领导的小组研究发现，库珀对不仅仅形成于超导体中，在绝缘体中同样存在。论文第一作者、布朗大学的Michael Stewart注意到，此前一些论文表示，库珀对可能在特定条件下的电绝缘体中存在，因此他决定亲自对这一违反直觉的结论进行检验。“我并没有抱太大希望，但得到的结果却让我吃惊，”Stewart说。

研究利用的绝缘体是一种稀有金属——铋。在较厚的情况下，铋可以是良好的超导体，但在较薄的情况下，它又诡异地变为绝缘体。

研究人员在一个直径50纳米、多孔蜂窝结构的模板上镀了一层超薄铋膜（几个原子厚度），并将温度逐渐接近绝对零度。由于该材料厚度的差异，它会表现出绝缘体和超导体的转变。当该材料表现为绝缘体时，研究人员利用外加磁场探测到了磁致电阻导致的电流变化，表明了库珀对的存在。

研究人员认为，尽管库珀对在超导体和绝缘体中都能存在，但它们的行为和表现形式是不同的。在超导体中，电子对之间相互联系并且以线性的方式移动，从而创造出持续的电流。而在绝缘体中，库珀电子对应该是在独立自旋。Stewart表示，“库珀对确实形成了，但彼此之间的状态是隔离的。”

新的发现有助于加深科学家对超导现象的理解，连诺将得主Cooper自己也表示，新的发现对认识量子效应有重要意义。“这一引人注目的结论提醒我们，只要不断探索，意想不到的重要发现就在前方等候。”他说。（科学网 任霄鹏/编译）

（《科学》（Science），Vol. 318. no. 5854, pp. 1273 - 1275，M. D. Stewart, Jr., James M. Valles, Jr.）

http://news.sciencenet.cn/html/showpaper.aspx?cn=1&id=177

http://science.sciencemag.org/content/318/5854/1273.abstract

现代化研

论文作者：G. J. Pryde

期刊：《自然》

发布时间：2007-11-29 14:48:21

科学家制造出世界最精确的“尺子”

据sciencedaily网站2007年11月27日报道，不要尝试告诉一名量子物理学家足够近就已经足够好。澳大利亚研究人员们发明了一种技术，首次以物理学定律所能允许的精确度进行了长度测量。

07-11月15日研究小组在《自然》（Nature）杂志上发表的一篇论文公布了一种系统，即使用单个光子（单个光粒子）作为测量精微距离的尺子。格里菲斯大学量子动力学中心的乔夫·普里德与他的博士学生布雷登·黑金斯在实验室中进行了这项实验。量子动力学中心主任霍华德·威斯曼与悉尼大学的斯蒂芬·巴特昨特博士和麦加里大学的多米尼克·贝里博士共同发明了这一理论。

普里德使用单个光子作为工具，然后对每个光子穿越样品的次数进行测量。研究小组使用36个光子进行了378次穿越，由此得出的长度测量结果的误差还不到人头发丝的万分之一。

普里德说，“这是一个非常少量的光。我们扫描条形码所使用的光子数量是十的十五次幂。甚至你家中的的DVD播放机中的暗淡光源也会在一秒内发射出数万亿个光子”。威斯曼说，“数个世纪以来精确测量长度和物体特性的类似方法是干涉测量法，即一种使用电磁射线的波，比如光波来测量的技术。这两项测量技术的关键区别在于，我们以一种方式获得了海森堡测量不准原理允许范围内的光子每次穿越样品时的信息。这就是说，这种测量方法可能是目前最好的测量方法，是以前从未做过的。”

普里德说，“我们使用了比以前所认为的更少的光来进行精确测量。这一测量方法对诸如医学研究之类的领域而言特别重要，因为将光透过一个生物样体可能会破坏这一生物体。”

我们为何需要如此精确的测量呢？

普里德说，“测量可以为所有科学提供支撑，从以往的历史来看我们知道，精确测量的进步会带来意想不到的科学发现，从而带来新的技术和应用。旧的干涉计告诉我们，地球不能穿越一种被称之为‘以太’的神秘物质，而事实上是穿越一个真空。这最终带来了爱因斯坦相对论的诞生。我们并不知道这一新技术将把我们引向何方。”

研究小组的下一步研究目标是使用更多的单光子，获得甚至更加精确的测量。普里德说，“从理论上讲这是可能的。但是首先我们还需要克服几个技术障碍。”

量子物理学

在量子物理学的奇异世界中，一个光子可以同时以两种不同的路径抵达同一目的地。光子前往下一个地点依赖于两条路径长度的差异性。假如一条路径的长度是已知的，这使得科学家可以非常精确地测量另一条路径的长度。

格里菲斯大学进行的实验的最新颖之处在于使光子在测量前可以在路径中折返许多次。这放大了路径长度不同所带来的影响。这一理论可以同时应用于其它诸如速度、频率和时间的测量。

这一技术结合了量子计算机研究（澳大利亚量子计算机技术中心）、量子控制和量子通讯的概念。巴特利特说，“这是一个结合不同方向研究取得新的令人振奋研究成果的伟大范例”。（来源：中国科技信息网）

（《自然》（Nature），450, 393-396，B. L. Higgins，G. J. Pryde）

http://news.sciencenet.cn/html/showpaper.aspx?cn=1&id=242

http://www.nature.com/nature/jou ... bs/nature06257.html



光子

光量子，简称光子，是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。光子静止质量为零。光子以光速运动，并具有速度、能量、动量、质量。
中文名 光子 外文名 Photon 别    称 光量子 提出者 爱因斯坦（A.Einstein） 提出时间 1905~1917 应用学科 实验和理论物理学 适用领域范围 光化学，以及分子间距的测量 适用领域范围 双光子激发显微技术 属    性 基本粒子 质    量 0

http://baike.baidu.com/view/9448.htm