宇宙中可能存在新粒子。 另一种可能性，暗物质是：
无霍金(Hawking)辐射的黑洞
21
(三)
极早期宇宙物质是 如何产生的？
为什么没有反物质？
22
11
宇宙创生期、Planck时期
t ≤ tPlank ， l ≤ lPlank
tPlank =
G c5
= 5.3904
×
10 −44
sec
lPlank = ct p =
45
5. 超弦理论中认为夸克、轻子 和媒介子都存在超对称伴随粒 子(Superpartner)
粒子(Particle)
超对称伴随粒子(Superpartner)
夸克(Quark)
J=1/2 超夸克(Squark)
J=0
胶子(Gluon)
J=1 超胶子(Gluion)
J=1/2
轻子(Lepton)
J=1/2 超轻子(Slepton)
II
c (粲)
III
t (顶)
d (下)
s (奇异)
b (底)
电荷
Q=+2/3 Q=-1/3
自旋
J= 1 2
重子数
B= 1
3
33
b、三代轻子 J= 1
2
I
II
III
e−
μ−
τ − Q = −1
νe
νμ
ντ Q = 0
le = +1
lμ = +1
lτ = +1
le，lμ，lτ 三种轻子数
34
17
c、五种媒介子 J=1
11
暗能量的主要特征：
1) 有大的负压力
p < − 1 ρc 2 3
大的负压产生排斥力，即负引力
（对普通物质 p ≥ 0
）
2)分布是均匀的 暗能量在整个宇宙是均匀分
布，无暗能量集团(Cluster)
12
6
暗能量目前的几种可能
1）Einstein引力场方程存在宇宙 常数项 Λ gμν
R μν
−
1 2
B=0
例：
π+ =(u d ) , π−=(d u)
K+ =(u s ) , K− =(s u)
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高能加速器发现下列粒子反应
p+ p → p+n+π+ p+n→ p+ p+π− → p + n Λ0 + K + → p + p p + p + π + + π − p+ p→ p+ p+ p+ p p+ p→ p+ p+n+n
38
19
高能加速器至今未发现产生 自由夸克
p + p → p + n + u + d 仅 能 产 生 π + = ( ud ) p + n → p + u + d + d 仅 能 产 生 n = ( udd ) p + p → p + Λ0 + u + s 仅 能 产 生 K + = ( us ) p + p → p + p + c + c 仅 能 产 生 J Ψ = ( cc )
55
目前，典型的额外维理论有四种
1. R-S模型 (1999) (L. Randall, R.Sundrum) D=5 , n = 1 K 为 Planck 尺度半圆
56
28
2. ADD模型 (1998-1999)
(A. Arkani-Hamed
S.Dimopoulos, G.R. Dvili)
D=6 , n = 2
24
12
4. 宇宙爆炸后约10-2秒，是由质子、
中子、电子和光子等组成的混合 体，像一盆密集宇宙“汤”。
5. 以后，质子和中子形成原子核并俘 获电子，形成中性原子，
6.大爆炸30万年后，当宇宙温度降到
3000 度 左 右 时 ， 光 子 与 原 子 退
耦、光子集团留下来，形成黑体
谱形式的背景辐射，光子集团由
ADD模型为大额外维空间
尺度 l = mm 数量级
这样模型的建立与2007年LHC运
转建立提供实验手段有关。
57
3. Calabi-Yau模型 (1977) E. Calabi, S.T. Yau (丘成桐 ) D = 10 , n=6 K 为紧缩在 Planck 尺度的 复三维 Kahler 流形 Calabi-Yau流形的研究与10维超
3000度降到今天的2.7K,波长在微
波范围。
25
极早期宇宙物质是如何产 生的？也即物质的基元夸克是 如何产生的？产生的机制是什 么？是当前宇宙学的另一重要 问题。
此外，即早期产生夸克时 为什么几乎没有产生反夸克？ 也即为什么当今宇宙中几乎没 有反质子、反中子等反物质？
26
13
宇宙学和粒子物理中通常用
43
超弦理论主要内容如下：
1. 物 质 的 基 元 是 超 弦 , 而 不 是 点， 弦的长度为Planck长度
lPlank =
G c3
∼
10
−33
cm
2. 弦的不同振动模式代表不同
的基本粒子
44
22
3. 超弦理论引入超对称，超坐 标是不可对易的
θ1θ2 ≠ θ2θ1
4. 超弦理论须引入高维时空。 高于现实四维时空的空间称为 额外维。 例如十维超弦理论 额外维空间是六维
39
夸克禁闭
到目前为止未能观察到自由夸克， 此现象称为夸克禁闭
目前，仅用下列唯象公式说明两个 色夸克之间的作用势随距离增加而增加
U( r ) = −a r
距离越远，力越强 距离越近，力越小
（夸克禁闭） （渐近自由）
40
20
到目前为止还未能从量子色 动力学(QCD)理论中求得夸克的严 格的强禁闭势
量子色动力学
外维理论的研究仍有重要参考价值
59
按 Calabi-Yau 额 外 维 理 论 ， 真实世界是十维时空，有六维在 微观看不见，不掌握，因而在物 理学中有六维因素没有考虑，这 是目前物理学的未知部分，造成 本来是决定性的客观世界，变得 好像是非决定性的了。考虑到额 外维存在对物理规律的影响后， 才能了解真正完整的物理规律。60
弦理论密切相关 但Calabi-Yau流形的探讨也可以独立
存在 58
29
4. K – K 模型 (1921-1926) T. Kaluza (1921) O. Klein (1926) D = 5 , n=1 早期 K – K 模型是为了建立引力
与电磁场的统一理论。 K – K 模型的数学结构对目前额
z 目前还未能解释夸克禁闭问题
z 未能解释为什么自然界不存在自 由夸克
这是当前粒子物理需要解决
的重要问题。
41
(五)
超弦理论是否 正确？
42
21
上世纪八十年代以来理论物 理学家企图将：
广义相对论、 量子理论(三种相互作用) 纳入统一理论，即“大统一理论 CUT”:
提出超弦理论
（Superstring Theory）
G c3
=
1.6160
×
10
−33
cm
23
a
1. 宇宙起始于约137亿年前一次大 ,温度
极高的原始火球
(T ～ 1032K
a ～10-34㎝)
3. 宇宙诞生后曾在10-34秒内极速 膨 胀 e70 倍 , 称 为 “ 暴 涨 ” （Inflation）
54
27
一 般 基 本 粒 子 的 尺 度 比 Planck 尺度大很多数量级，额外维流形 K 是不可能容纳这种庞然大物的。
人类生存的四维时空是否还存 在其它微小的物质形态可进入额外 维，是值得探讨的问题。
此外，额外维空间 K 是否会存 在某种奇特物质，它们是否会进入 我们生存的时空，更是值得研究的 问题。
g μν R
=
−
8π G
c4
T
μν
R μν
−
1 2
gμν R − Λ gμν
=
−
8π G
c4
T
μν
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2）标量场理论(Quintessence)
p = 1φ2 −V(φ )
2
p<0
当
1φ2 <V(φ ) 2
此外，暗能量还可能是由复 标量场或额外维提供的。
14
7
目前宇宙物质的分布： 暗能量占 73% 什么是促使宇宙膨
规范场理论中称为规范玻色子
W ± , Z 0 传递弱相互作用
γ
传递电磁相互作用
g
传递强相互作用
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强子分为重子和介子 a、重子由三个夸克组成
重子 = (q q q) B=1
例： p = ( u u d) n = ( u d d) Λ0 = ( u d s)
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18
b、介子由夸克和反夸克 组成 介子 = ( q q )
外维流形的存在，通常认为额 外维流形 K 是卷缩在十分小的 n 维 Planck 尺度内
lPlank =
G c3
=
1.61
×
10
−33
cm
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论证和探测额外维是否存在 的物理效应是21世纪物理学的重 大问题。
一般认为，只有引力效应能 深入额外维，也即如果引力子存 在 ， 则 引 力 子 可 进 入 额 外 维 K, 我们生存的四维时空将丢失一定 数量的引力子，这是判断额外维 空间存在的一种效应。