宇宙是由什麼組成的？

萬物是由什麼構成的？這是我們至今仍在追問的問題。現在我們知道，宇宙中存在著一些無法由更小的物質構成的基本粒子。你知道這些基本粒子都有哪些嗎？

如果你剛好看了昨天的文章《物質的質量來自哪裡？》，那麼你肯定知道答案。

原子是由原子核和電子組成的，電子是基本粒子，但原子核並不是，它是由質子和中子構成的。但還沒有結束，質子和中子實際上是由基本粒子——夸克和膠子組成的。夸克和膠子之間的相互作用是由粒子物理學的標準模型所描述的。

○ 標準模型包含了17種基本粒子：六種夸克、六種輕子、四種規範玻色子以及希格斯玻色子| 圖片來源：DEREK B. LEINWEBER

早在上個世紀八十年代，物理學家就書寫了標準模型，但直到2012年在大型強子對撞機中找到希格斯玻色子，標準模型中的所有17個粒子才全部被找到。

○ 四種基本相互作用。| 圖片來源：Pany/NPI

標準模型還描述了自然界中四種基本力的其中三種——強核力、弱核力和電磁力。但是它並沒有解釋引力，引力由愛因斯坦提出的廣義相對論所描述。將這兩種框架統一到一個理論是當今物理學遇到的最大挑戰。

○ 標準模型拉格朗日方程。| 圖片來源：CERN

上面這個馬克杯或許是世界上最知識淵博的杯子了，因為在杯子上的方程正是描述了宇宙如何運作的標準模型方程。從質子內部的夸克和膠子的複雜相互作用到元素周期表，從太陽核心的聚變到中子星內部的動力學，都可以運用標準模型來解釋。

○ 質子的結構是動態的，在高能量尺度存在更多夸克和膠子。| 圖片來源：Phiala Shanahan

儘管標準模型如此的成功，但是還有許多問題是它無法解釋的，例如：

中微子為什麼有質量？

為什麼物質多於反物質？

為什麼我們觀測到宇宙在加速膨脹？

為什麼觀測到的星系旋轉速度比理論計算的結果大？

為什麼一些星團可以聚集在一起，雖然觀測證據表明它們並不可以？

○ 觀測到的星系旋轉速度與理論預期的不符。| 圖片來源：Pany/NPI

關於後面兩個問題，存在一個解決方案。假設在宇宙中存在一些物質，它們既不發射也不吸收普通物質粒子，卻又可以產生引力相互作用，那就可以解釋許多質量缺失的問題。這些物質就是所謂的暗物質。

○ 兩個具有相同普通物質與暗物質分布的星系相互碰撞，計算結果表明，普通物質（紅色）會相互作用、碰撞，而暗物質（藍色）卻像個冷靜的旁觀者。這與最後一張圖中，通過引力透鏡觀測到的普通物質與（推測存在的）暗物質狀況類似。| 圖片來源：[1]

但是，暗物質是什麼呢？我們並不知道。在四種基本相互作用中，可以確定暗物質會發生引力相互作用，但不發生電磁相互作用，也不發生強相互作用（否則我們早就通過宇宙射線探測到它了），至於弱相互作用嘛，我們還不確定。

因此，比起暗物質是什麼，我們更清楚暗物質不是什麼。暗物質不是普通物質，不是星系，不是反物質，不是星系尺寸的黑洞…...

○ 宇宙的成分：暗物質約為26.8%，暗能量約為68.3%，而我們熟悉的普通物質（比如行星、恆星等）只佔4.9%。| 圖片來源：ESA/Planck

有一些理論試圖解釋暗物質可能是什麼，比如超對稱、額外維度、中微子等。那麼，我們能通過實驗探測到暗物質嗎？

一種可能性是在對撞機中將普通物質粒子（即標準模型中的粒子）相互對撞。如果一些能量或動量消失了，那麼就很可能就是產生了暗物質。然而不幸的是，中微子也能做到如此，這就意味著，我們必須很好地理解粒子相互作用產生的中微子背景，然後尋找額外的超出標準模型背景的信號。這就是為什麼在對撞機中尋找到暗物質是如此困難。

第二種可能性是通過間接探測。如果真空中暗物質湮滅產生了標準模型中的粒子，我們就會看見比預期中更多的物質，從而推測是暗物質產生了這些粒子。

第三種可能性就是直接探測了。探測猜想中構成暗物質的大質量弱相互作用粒子（WIMP）是否會與普通物質發生相互作用，並留下什麼蛛絲馬跡。

○ 探測暗物質的三種不同可能性。| 圖片來源：Pany

在沒有探測到任何信號時，我們翹首企盼早日看見暗物質，然而，如果真的探測到暗物質，我們或許又會不知如何是好。如果我們想要更好的從理論上解釋暗物質，想要超越標準模型，必須首先更好地理解標準模型做出了哪些預測。或許我們尋找的是對標準模型的微小修正，所以必須做非常詳細的計算，以非常高的精度來理解標準模型到底做出了什麼預測。

例如，一個暗物質粒子與原子核碰撞後會反衝，但是為了讓觀測到碰撞的概率最大化，實驗中會使用重的原子核，例如有著100個核子的原子核。這就意味著需要進行大量的量子色動力學（描述強相互作用的理論）計算，以了解碰撞過程中到底發生了什麼。

當然，我們可以先從一個「簡單」的問題開始——質子的大小是多少？

質子是組成原子核的粒子，是太陽發生核聚變發光發熱的能量之源，是在宇宙大爆炸最初產生元素的基礎。原子核中的質子比中子質量小0.1%，這對於生命的存在至關重要，如果情況反過來，就不會有帶負電的電子繞著帶正電的質子旋轉形成的穩定原子，也就不會有這之後的一切物質了。

○ 圖片來源：Pany/NPI

但是對於質子的大小問題，理論預測和實驗觀測的結果卻有著相當大的差異，可以達到大約4%的水平（只有0.5%的不確定性）。這自然令理論物理學家深感不安。

理論物理學家Phiala Shanahan從事的研究就是通過格點量子色動力學（Lattice QCD）來計算質子的大小。如果有足夠強大的計算機，那麼她明天就可以給出質子大小的精確結果，然而，即使計算機的計算能力按照指數增長，在她有生之年（她現在還不到30歲）也難以完成這個計算。

因此我們不僅需要更好的技術算計，還需要技術上的突破，或許是通過設計更高效的演算法（比如機器學習），或許是使用更好的計算機晶元（比如FPGA），或許是通過量子計算機。

參考來源：

[1] https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/11/07/at-last-physicists-understand-where-matters-mass-comes-from/#6f7a32ec5bf9

[2] https://insidetheperimeter.ca/the-building-blocks-of-the-universe-phiala-shanahan-public-lecture-webcast/

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