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如果你询问像我这样的物理学家世界是如何运作的，省事的回答是：“它遵循标准模型。”标准模型（the Standard Model）解释了基本物理学中宇宙运作的规律。尽管实验物理学家不断探索并发现模型基础存在缺陷，但它仍已成功预测了50多次环日行星的运行。
大多数的预测都很出色地通过了一轮又一轮的实验测试。但是这个大致完善的模型存在概念上的偏差，这表明宇宙运作的原理还有很多东西需要探索。
我是一名中微子物理学家。标准模型17个基本粒子中有三个是中微子。它们随时随地都在穿过地球上的每个人的身体。我研究中微子和正常物质粒子之间相互作用的性质。
2021年，世界各地的物理学家进行了一系列探索标准模型的实验。一些团队得到测量模型基本参数的精确度前所未有。一些人探索了最佳实验结果与标准模型的预测结果不完全匹配所揭示的理解盲区。最终，团队构建了更强大的技术来尽可能的测试标准模型的预测能力，这样还有发现新的粒子和场的可能。如果这些努力取得了成功，他们可能会在未来得到一个更完整的描述宇宙的理论。
填补标准模型的空缺
1897年，J.J. Thomson使用玻璃真空管和电线发现了第一个基本粒子电子。100多年后，物理学家仍在寻找标准模型的粒子。
标准模型是推测的框架，它做了两件事。首先，它解释了物质的基本粒子是像电子和组成质子与中子的夸克这样的粒子。其次，它预测“信使粒子（messenger particles）”和这些物质的粒子相互作用的方式。这些信使粒子被称为玻色子，包括光子和著名的希格斯玻色子（Higgs boson），它们描述了自然的基本力。希格斯玻色子在欧洲巨大粒子对撞机CERN工作数十年后的2012年才被发现。
标准模型在许多方面能非常准确地预测世界的运作，但它确实存在一些漏洞。
值得注意的是，它不包括任何对重力的描述。虽然爱因斯坦的广义相对论描述了引力的原理，但物理学家尚未发现传递引力的粒子。一个合格的“万有理论”既应当能预测标准模型所能预测的一切，也要能描述使重力与其他粒子相互作用的信使粒子。
另一件标准模型不能做的事就是解释为什么任何粒子都有一定的质量，物理学家必须通过实验直接来测量粒子的质量。只有通过实验得到这些精确的质量之后，才能用它们预测。测量得越精确，预测的就越好。
最近，欧洲核子研究中心（CERN）一个团队的物理学家测量了希格斯玻色子与自身耦合地能力。另一个团队测量出了至今为止希格斯玻色子最精确的质量。最后，测量中微子质量的项目也取得了一些进展。物理学家知道中微子的质量大于零，但小于目前可检测到的数值。德国的一个团队正在改进技术，以便能够直接测量中微子的质量。
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可能发现新的力或是粒子
2021年4月，费米实验室μ子g-2实验的成员宣布他们完成了对μ子磁矩的首次测量。μ子是标准模型中的基本粒子之一，这次对其性质的测量是迄今为止最准确的。这个实验之所以重要，是因为测量结果与磁矩的标准模型预测不完全匹配。事实上，μ子没有表现得像推测的那样。这一发现预示可能有与μ子相互作用的未知粒子。
但与此同时，在2021年4月，物理学家Zoltan Fodor和他的同事展示了他们通过使用称为Lattice QCD的数学方法来精确计算μ子的磁矩。他们的理论预测与之前的预测不同，仍然适用于标准模型，而且重要的是，这与μ子的实验测量相匹配。
先前被接受的预测、实验结果和新的预测结果之间的分歧必须在物理学家知道实验结果是否真的超出标准模型之前进行调和。
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改进物理工具
物理学家必须在由令人费解的现实构成的想法和先进的技术这两者之间找到突破口，从而设计出可以测试理论的实验。2021年是推动物理学实验工具进步的重要一年。
首先，世界上最大的粒子加速器，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机被关闭并进行了一些重要的升级。物理学家在10月份才重新启动了该设施，他们计划在2022年5月开始下一次数据收集运行。升级提高对撞机的功率，使其可以产生14 TeV的碰撞，高于之前的13 TeV限制。这意味着在圆形加速器周围以光束形式传播的成批微小质子携带的能量与以100英里/小时（160公里/小时）速度行驶的800,000磅（360,000公斤）的载客列车相同。在这些令人难以置信的条件下，物理学家可能会因为新粒子太重在较低能量的情况下无法发现它。
其他一些技术进步有助于寻找暗物质。许多天体物理学家认为，目前不符合标准模型的暗物质粒子可以回答一些悬而未决的问题，例如引力围绕恒星弯曲空间的方式——称为引力透镜——以及恒星在螺旋星系中的旋转速度。低温暗物质搜索（the Cryogenic Dark Matter Search）等项目尚未找到暗物质粒子，但团队正在开发更大、更灵敏的探测器，以便在不久的将来部署。
巨大的新型探测器的开发与我在中微子方面的工作特别相关，如Hyper-Kamiokande和DUNE。科学家们使用这些探测器有望能够解决有关中微子如何振荡的基本不对称性的问题。这些探测器还将用于观察质子衰变，这是一些理论预测应该发生的现象。
2021年强调了标准模型在一些方面不能解释宇宙所有的奥秘。但是新的测量结果和新技术正在帮助物理学家在寻找万物理论的路途中向前迈进。
撰文：Aaron McGowan 罗彻斯特理工学院物理与天文学首席讲师。
翻译：范馨月
审校：殷姝雅
引进来源：theconversation
本文来自：中国数字科技馆
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