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标准模型还能坚持多久;美军发布2019年十大黑科技|科技速览

编辑 | 杨凌、陈航
编译 | 顾淼飞、韩若冰、董唯元、太阁尔
1 标准模型还能坚持多久?
 
和谐优雅的基本粒子标准模型,在漂亮的支撑了粒子物理学几十年之后,随着20年前中微子振荡的发现,其必然需要扩展修订的局面已经无人怀疑。因为中微子振荡的事实暗示其具有非零的静止质量,这与传统标准模型并不兼容。
 
每当发现观测事实与既有理论模型相冲突,相关研究者的热情都会陡然高涨。近十几年来,许多围绕着标准模型该如何扩展的讨论,一直是高能物理研究者持续关注的热点,也因此涌现出不少为标准模型打补丁的新理论。BSM(Beyond Standard Model)和SME(Standard Model Extensions)已然成为学界专有词汇,在理论和实验两方面都是最活跃的领域。
 
例如,解释中微子质量问题较为主流的理论是“跷跷板机制”,这一理论不仅提供了中微子携带质量的理论描述,还同时解释了右手性中微子缺失问题,以及为何左手性中微子质量比那些带电的姊妹粒子要轻很多。可惜中微子质量实在过于微小,在较为精确的测定之前,跷跷板机制很难“实锤”。况且这个理论还要求中微子是马约拉纳粒子(反粒子就是自身的粒子),这也是一个目前尚无定论的猜测。
 
在实验方面,LHCb的强子对撞实验,以及其他的高能实验,积累了大量数据宝藏,研究者从各个角度努力探寻着违背标准模型的迹象。2015年,LHCb实验室的R. Aaij及其团队,在分析先前积攒的质子对撞实验数据时,发现Bs介子存在标准模型无法解释的反常衰变[1]。于是相关研究者的热情被再一次点燃,各种BSM/SME理论纷纷涌现。
 
某种程度上讲,Bs介子反常衰变比中微子振荡更令人兴奋。因为原本中微子问题不牵扯电荷,而Bs介子的衰变产物是带电的中微子亲属。于是很多研究者将二者联系起来,猜测弱荷(flavor,也称粒子的“味”)破坏现象并非电中性粒子独有,也许在其带电的姊妹粒子身上也会出现。
 
中微子的那些带电的亲属就是电子、μ子和τ子,这些粒子与中微子一起统称为轻子。所以由Bs介子反常衰变引发的猜想,也被称为LFV(Lepton-flavor Violation,轻子弱荷破坏)。在实验数据公布后的几年里,LFV绝对算是高能物理界最热门的话题之一,许多相关论文纷纷发表[2-5]。
 
随后的几年间,理论研究者由LFV延伸发展了更为一般性的猜测,那就是轻子家族各成员之间并不似标准模型所描写的那样平等兼爱。这一猜测被称为Lepton- universality Violation,如果这一理论能够得到实验验证,必将对标准模型做出自诞生以来最为重要的修改。
 
受到先前重要发现的鼓舞,R. Aaij团队近几年来一直在不断的努力分析各种Bs介子衰变过程。
 
2017年,他们分析了B0→K*0μ+μ-和B0→K*0e+e-过程,并未找到轻子行为异常[6]。
 
2019年3月,他们又分析了B+→K+μ+μ-和B+→K+e+e-过程,仍未找到违背标准模型的迹象[7]。
 
2019年12月,他们刚刚发表了B+→K+μ+e-和B+→K+μ-e+过程的分析结果,标准模型仍然屹立不倒[8]。
 
不难预想,明年这个团队还会继续发表其他排列组合的情况,其他研究者也都会继续热切关注着分析结论的发表。即使未来遍历所有过程,仍未找到新的突破口,也丝毫不会动摇人们继续完善标准模型的信心和希望。
 
[1] R. Aaij, et al. (LHCb Collaboration) "Search for the rare decays B0→J/ψγ and B0s→J/ψγ". Physical Review D. 92 (11): 112002. (2015)
 
[2] S. L. Glashow, D. Guadagnoli, and K. Lane, Lepton Flavor Violation in B Decays? Phys. Rev. Lett. 114, 091801 (2015).
 
[3] D. Guadagnoli and K. Lane, Charged-lepton mixing and lepton flavor violation, Phys. Lett. B 751, 54 (2015).
 
[4] I. de Medeiros Varzielas and G. Hiller, Clues for flavor from rare lepton and quark decays, J. High Energy Phys. 06 (2015) 072.
 
[5] A. Crivellin, L. Hofer, J. Matias, U. Nierste, S. Pokorski, and J. Rosiek, Lepton-flavour violating B decays in generic Z0 models, Phys. Rev. D 92, 054013 (2015).
 
[6] R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), Test of lepton universality with B0→ K*0l+l-decays, J. High Energy Phys. 08 (2017) 055.
 
[7] R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), Search for Lepton- Universality Violation in B+ → K+l+l- Decays, Phys. Rev. Lett. 122, 191801 (2019).
 
[8] R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), Search for Lepton-Flavor Violating Decays B+ → K+μ±e±,Phys. Rev. Lett. 123, 241802 (2019).
 
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.241802
 
2 基因对多数疾病的影响不足5%,包括多种癌症
 
加拿大阿尔伯塔大学的最新研究表明[1],在大多数情况下,个体的基因对于患某种疾病风险的影响不足5%。
 
目前已有大量研究考察了常见基因突变(也称为单核苷酸多态性或SNP)与不同疾病和健康状况之间的关系。科学家们分析了该领域二十年来的研究数据,完成了这项迄今规模最大的元分析,结果表明大多数人类疾病和遗传学之间的联系并不显著。
 
“简单来说,DNA不是你的宿命,单核苷酸多态性也不是疾病的靠谱预测,”研究作者之一David Wishart说。“对于绝大多数疾病,包括多种癌症、糖尿病和阿尔茨海默氏病,遗传的影响最多为5%至10%。”
 
该研究也强调了一些值得注意的例外,包括克罗恩氏病、乳糜泻和黄斑变性,它们的遗传影响约占40%至50%。
 
Wishart解释说:“尽管存在这些少有的例外,但越来越清楚的是,大多数疾病的风险来自于你的新陈代谢、环境、生活方式,以及和各种营养素、化学物质、细菌或病毒的接触。”
 
Wishart和研究合作者建议,测定代谢物、化学物质、蛋白质或微生物组可为人类疾病风险提供更准确的度量,也有助于得出更准确的诊断。这一发现挑战了许多现代基因测试的商业模式,这些服务曾提出基因测试可以准确预测某人患病的风险。
 
Wishart补充说:“这项研究还强调了我们需要了解环境,以及食物、空气和水的安全性和质量。”
 
[1] Patron J, Serra-Cayuela A, Han B, et al. Assessing the performance of genome-wide association studies for predicting disease risk[J]. PloS one, 2019, 14(12).
 
3 科学家开发出反铁磁拓扑量子材料
 
量子材料是现今世界范围内非常热门的研究方向之一。究其火爆的原因,主要是因为这种材料体现出众多丰富的性质,例如磁性、超导特性、拓扑特性等,因而在信息处理、传感、计算等领域有着非常广阔的应用前景。特别是量子计算、量子霸权等字眼更是近年来频频占领新闻的头条。
 
量子材料的一大缺陷,就是其超凡性质往往需要非常苛刻的工作环境,例如超低温,极强磁场或者极强的压强等等。这显然不利于量子材料的应用。因此,科学家们近年来不断尝试,试图让量子材料在室温、常压和不加磁场下也能获得优良的特性。一种有望实现这一目标的材料叫做磁拓扑绝缘体 (Magnetic Topological Insulators,简称MTI) 。理论上的预测表明,这种材料或许足够呈现出前所未见的量子特性,但是在实验室制备这样的材料却异常困难。
 
闪耀着光辉的山峰永远不缺乏执着的攀登者。Anna Isaeva博士是德国德累斯顿工业大学和莱布尼兹固体物理和材料研究中心的青年教授。她是量子材料合成和晶体生长的专家,她的课题组通过结合化学、物理和晶体学的知识,制备和研究出各种新型的量子材料。近年来,Isaeva博士所在的团队与20个研究单位的40多位科学家一道,致力于开发新型的量子材料。通过与莱布尼兹固体物理和材料研究中心的Alexander Zeugner博士合作,Isaeva博士的团队开发了一种量子材料的晶体生长方法,制备并表征了本征磁拓扑绝缘体MnBi2Te4,该成果已在《自然》杂志发表[1]。这种材料由三种元素锰、铋、碲组成,其特别之处在于,传统的磁拓扑绝缘体通常是采用3D过渡金属对非磁拓扑绝缘体材料掺杂制得,这个过程会导致材料电磁性质的不均匀性。而MnBi2Te4的制备不需经过元素掺杂,是一种本征反铁磁拓扑绝缘体。这一点由来自西班牙多诺斯蒂亚国际物理中心的研究人员理论证明,而来自伍兹堡大学的团队则通过谱学测量予以证实。
 
这项研究在科学上意义非凡。一块磁拓扑绝缘体晶体的表面有一种边缘态(Edge State),能够在不加外磁场的情况下实现量子霍尔效应。除此之外,以上所介绍的反铁磁拓扑绝缘体的材料的合成,为当今新兴的反铁磁自旋电子学(Spintronics)做出了很大的贡献。另外,目前还有一种新兴的磁学材料,叫做范德华材料。这种材料是片层状的二维材料,层内原子由强的共价键连接,而层与层之间则存在较弱的范德华力,故得其名[2]。二维的铁磁材料(例如本文中介绍的MnBi2Te4)的开发对于范德华材料的发展也大有裨益。
 
Isaeva博士的团队已经对合成新的量子材料的方法进行了进一步优化,从而能够更容易的合成出MnBi2Te4单晶。全世界的研究人员也正在合力研究MnBi2Te4材料中存在的磁性和拓扑结构之间的相互作用。最近的研究表明,MnBi2Te4还有更多的与磁拓扑绝缘体相关的衍生结构。
 
Isaeva博士说:“我们正在目睹一类新的磁拓扑绝缘体的诞生,它们不依赖于磁掺杂的方法,而是通过本征的磁化实现。对这一类材料的研究,目前全世界竞争非常激烈[3],相关学术论文如同雨后春笋一样涌现出来。”仅Isaeva博士课题组,就已经在第一篇论文后接连发表了三篇文章。
 
[1] Otrokov M M, Klimovskikh I I, Bentmann H, et al. Prediction and observation of an antiferromagnetic topological insulator[J]. Nature, 2019, 576(7787): 416-422.
 
[2] Two-dimensional van der Waals materials,Physics Today 69, 9, 38 (2016); doi: 10.1063/PT.3.3297
 
[3] 注:MnBi2Te4相关材料是近年来非常火爆的研究方向,中国学者在该领域也有着非常突出的贡献。例如中科院物理所就报道了一项最新的相关工作:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1651333801627919146&wfr=spider&for=pc。其中,薛其坤教授所在的团队也是这一材料作为磁拓扑绝缘体相关研究的开创者。
 
4 “开启”化学反应的新力量
 
研究人员已经证实,利用机械力可以激发化学反应,而且,这是一种相较于传统方法经济性更高、应用更广泛、对环境更友好的方法。
 
提高化学反应速率的最传统的方法,是对反应物加热。在过去的10年间,科学家也对光氧化还原催化剂展开了大量研究,这种催化剂能被可见光激活,让化学反应实现更高的选择性和效率。然而,这些反应通常需要使用大量的有机溶剂,所以只适用于可溶的反应物。
 
压电材料——例如钛酸钡——会在施以压力的时候产生电势,这也是它们被用于手机和打火机的原因。在一项发表于《科学》杂志上的最新研究中[1],北海道大学化学反应设计与发现研究院的Hajimo Ito和Koji Kubota证明了压电材料产生的电势也可以用来活化化学反应。“在我们的反应体系中,我们用球磨机产生了机械力,机械力施加到压电材料之后,成功活化了氧化还原反应。” Koji Kubota说。与“光”氧化还原反应相对应,他们管这类反应叫“机械”氧化还原反应。
 
研究团队从BaTiO3得到电势并将其用于芳基重氮盐的活化,产生了高度活化的基团。这些基团能够高效地进行芳基化反应和硼化反应[2]。研究团队还发现,硼化反应甚至只要用锤子敲打装在塑料袋中的反应物就能发生。
 
“我们使用的反应体系只需要用球磨机产生机械力,没有用到溶剂。这种方法大大减少了有机溶剂的使用,让反应更容易进行,也更环保。对于那些不溶于溶剂的反应物也同样适用。” Koji Kubota说。他们还可以对钛酸钡进行回收,收率比光氧化还原反应的还要高。
 
[1] Kubota K. et al. Science, December 19, 2019.
 
[2] 注:芳基化反应和硼化反应是两种在合成化学中非常重要的反应。
 
5 美军发布2019年十大黑科技
 
日前,美军CCDC研究实验室发布了2019年军事领域的十大最酷科技进步清单[1],让我们戳视频一睹为快吧!
 
第10名
 
将塑料纤维肌肉运用于机器人,极大提升了机器人的性能。
 
第9名
 
使用可穿戴传感器监测士兵的健康状况和所处的环境危险。
 
第8名
 
正在研制的新型水基耐火性锂离子电池。
 
第7名
 
想象一下仅仅用一个药片和水,就可以随时产生能量!
 
第6名
 
使用3D打印技术制作超强金属部件,未来战争将不用携带武器备件。
 
第5名
 
研制中的一种大脑探测器,可以对士兵的注意力和大脑活动进行分析。
 
第4名
 
AI系统-CRYSTRAL帮助军方研制高密度储能材料。
 
第3名
 
一种适应复杂战场的新型无线电指挥体系。
 
第2名
 
一种可以自我修复的材料!
 
第1名
 
正在开发新型机器人大脑,使机器人可以在各种未知场景下处理各类未知物体。
 
[1] http://www.arl.army.mil



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