宇宙的邪恶轴心

luyuanhong

宇宙的邪恶轴心
——曹俊的博文
3月份的物理与天文学领域其实极为精彩。可惜科学网博客中几乎没有详细的评说。
大型强子对撞机上的Altas与CMS实验在3月初的Moriond会议上更新了他们寻找希格斯粒子的分析结果，进一步肯定了“疑似希格斯粒子”的存在，基本确定了它的自旋和宇称，原来让人不舒服的双光子道似乎也不是大问题。尽管为了谨慎起见，官方消息还没有正式把“疑似”两个字拿掉，它看上去确实越来越象“标准模型”中预言的希格斯粒子，而不是标准模型之外的新东西。大型强子对撞机已经停机进行为期数年的升级，这次分析的就是已有的全部实验数据。
薛其坤院士领导的清华大学与中科院物理所团队发现了无外磁场下的反常量子霍尔效应。这是人们发现的第三种量子霍尔效应，但是有更广阔的应用前景。也许可以用2007年获诺贝尔奖的巨磁阻效应做类比。由于发现了巨磁阻效应，我们用的计算机硬盘的存储能力得到了成千上万倍的提升。设想一下，如果每块硬盘最大的容量是100M，而不是现在的几个T，我们有多少事不能干。不需要外加磁场的反常量子霍尔效应也许能导致IT工业革命，希望这一天早日来临。值得一提的是该材料的原理也是2010年由中科院物理所的方忠、戴希与拓扑绝缘体理论的开创者之一、斯坦福大学的张首晟等合作提出来的。
前几天，北京正负电子对撞机上的BESIII实验上发现了一个奇特的新粒子Zc(3900)。Zc是给粒子起的名字，3900表示它的质量是3900MeV。传统的强子态包括介子和重子。介子由正反两个夸克构成，重子（例如质子和中子）由三个夸克构成。这个新粒子的奇特之处在于，从它的衰变模式，我们知道它既包含了一对正反粲夸克，还带有整数电荷。我们知道正反粲夸克的电荷抵消，而一个夸克的电荷是1/3或2/3。因此，Zc(3900）至少包含了4个夸克。世界上共有强、弱、电、引四种力，其中强相互作用力由于不能微扰展开，难以计算，定量理解上存在很大的困难。新粒子的发现能不能给我们对强力的理解带来突破，拭目以待。
参见：http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2013/201303/t20130326_3804699.html
（另注：也有理论试图不用奇特的夸克态来解释这个新粒子。）
最后，另一件非常重要的事是欧洲Planck卫星公布了对宇宙微波背景辐射（CMB）的分析结果。我们以前常说宇宙诞生于137亿年前的一次大爆炸，宇宙中占72%的是暗能量。2013年3月21日，普朗克卫星新闻发布会的数据为：“宇宙年龄138.1亿年，比WMAP过去的测量大了8千万年，暗能量的组分占68.3%，比WMAP过去的测量明显小了，特别是暗物质提高了近1/5，占 26.8%，重子物质也提高了，占4.9%，哈勃常数变小了，67.3 km/s/Mpc”。
作为中微子研究人员，我们期待Planck对到底有多少种中微子以及这几种中微子的质量之和给出更准确的结果。粒子物理实验证明有且只有三种中微子。实验总是有条件的，因此需要加上限定词：不包括重得难以想象的中微子，也不包括不参与我们所知道的相互作用的中微子。以前的宇宙学观测独立给出的中微子种类是4种左右，但是误差很大，3种也符合得不错。这是一些科学家觉得第四种中微子——“惰性中微子”可能存在的理由之一。由于中微子质量的直接测量极为困难，现在还有没一个实验有希望给出结果。我们只是通过中微子振荡实验确定了三种中微子的质量平方差。Planck卫星有可能将三种中微子质量之和的上限确定到好于0.15电子伏。
Planck结果的背后有两件事值得挖掘。
李惕培院士从2003年起就对WMAP的结果提出质疑，指导高能所博士生刘浩建立了独立的数据分析系统，2009年公布结果，指出WMAP的数据处理存在问题，暗能量的成份应该是67.8%。这个结果与Planck的新结果一致。后来另一名博士生熊少林与刘浩一起，发现WMAP时钟定标存在25.6毫秒的严重系统误差，导致了上述问题。五篇文章中，只有时钟标定误差的文章被WMAP内部专家承认，得以正式发表，其它四篇都没有被接受。可见国际学霸也是很厉害的。下面显示arXiv的都是未正式发表，只在电子预印本库中公布的文章。
2009 arXiv  0907.2731,  Liu, Hao; Li, Ti-Pei, Improved CMB Map from WMAP Dada
2010 arXiv 1003.1073,  Liu, Hao; Xiong, Shao-Lin; Li, Ti-Pei, The origin of the WMAP quadrupole
2010 arXiv 1001.4643,  Liu, Hao; Li, Ti-Pei, Inconsistency between WMAP data and released map
2012 arXiv 1203.5720, Liu, Hao; Li, Ti-Pei, Missing completely of CMB quadrupole in WMAP data
2011MNRAS.413L..96L,  Liu, Hao; Xiong, Shao-Lin; Li, Ti-Pei, Diagnosing timing error in WMAP data
参见：http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2013/201303/t20130325_3803498.html
科学松鼠会对WMAP、宇宙微波背景辐射、以及李惕培等人的工作有精彩的描述，参见：http://www.guokr.com/blog/441077/。 文章对CMB做了很好的科普。中间一段写到“理论物理的生物圈又一次欣欣向荣，直到下一次大灭绝的来临”，让我想起一部非常幽默和生动的记录片《美丽的动物》(Animals are beautiful people)。南部非洲沙漠中的动植物，一年一度地让人感受到生机勃发时的精彩与凋零时的残酷荒凉。
在WMAP的结果中，还存在一件诡异的事，本应各向同性的微波背景辐射，却有一个方向性，指向室女座，而且与太阳公转在一个平面内。难道有人居住的太阳在宇宙中就这么特殊吗？因此，这个方向性被人称为“宇宙的邪恶轴心”。李惕培等人认为，采用他们的分析结果，宇宙的邪恶轴心并不存在，这个方向性完全是由去除偶极矩噪声时产生的误差引起的。
然而，这次Planck的结果中，这个邪恶轴心依然存在。李淼甚至构思好了一部科幻作品：http://dajia.qq.com/blog/221245070710882。
根据奥卡姆剃刀定律，我宁可相信Planck的数据处理中仍然存在相似的问题，而不是宇宙存在“邪恶轴心”。