超對稱是基本粒子理論中一個可能存在的數學結構,這一結構非常神奇。理論物理學家用它得出了一個比一個漂亮的結果。但這么漂亮的數學結構,是不是真的描寫了我們這個宇宙的基本粒子?我們這個宇宙的基本粒子理論是不是真的是最漂亮的?目前的實驗給出的答案是:否。我們也許需要更高能的實驗才能發現超對稱。也可能,超對稱根本不存在。
高能粒子彼此碰撞,產生大量新的粒子,可以用探測器看到。通過重構每個粒子的能量、動量和其他性質,我們可以推斷發生碰撞的粒子及其產物。自Wess和Zumino首次提出超對稱性以來已經快50年了,但是還沒有觀測到任何超對稱粒子。(來源:FERMILAB)
有時候,理論物理學會產生深奧的想法。如果某個想法一舉解決了一系列疑難問題、同時給出新的可以檢驗的預測,就一定會引起極大的興趣。它不僅提供了潛在的前進之路,還能吸引人們的想象力。如果它的預測得到證實,就可以開啟對宇宙的全新認識。
當物理學家遇到超對稱性(supersymmetry, SUSY)的時候,情況恰恰如此。沒有人知道,在標準模型里,基本粒子的質量為什么比普朗克質量小得多?基本常數為什么不統一?暗物質可能是什么?超對稱性理論對每一個問題都給出了答案,還預言了很多的新粒子。大型強子對撞機(LHC)的第二輪實驗已經結束了,但是并沒有發現那些粒子。用超對稱性解決這些問題的夢想已經破滅,物理學家必須面對這個現實。
標準模型的夸克和輕子的質量。在標準模型里,最重的粒子是頂夸克;最輕的是電子(不算中微子),其質量是511 keV/c2。中微子比電子至少要輕400萬倍:這比其他粒子之間的差別大得多。在能量尺度的另一端,普朗克能量(1019GeV)大得令人不安。我們不知道有什么粒子比頂夸克還重。(來源:HITOSHI MURAYAMA OF HTTP://HITOSHI.BERKELEY.EDU/)
超對稱性的動機可以追溯到量子力學的早期和電子的問題。電子是個問題,因為它沒有大小——它是一個點粒子,但確實有電荷。只要有電荷,就會產生電場和電勢。因為它本身有電荷,所以就能感受到自己產生的電勢:電子存在的本身就導致了固有的能量。電子越小,其內部能量就越大。這意味著,如果電子真的是點粒子,其能量就必定是無限大。
當然,事實并非如此。電子的固有能量是有限的,由它的靜止質量和著名的愛因斯坦方程E=mc2決定。
量子場論計算得到的量子真空中的虛擬粒子(具體地說,針對的是強相互作用)。即使周圍一無所有,這種真空能量也不等于零。粒子-反粒子對可以突然出現或消失,與電子這樣的真實粒子相互作用,從而修正電子非常重要的自能。(來源:DEREK LEINWEBER)
根據電磁學定律,如果電子的大小使得它的電能量等于它的質量,就可以得到電子的直徑約為5×10-15米,比質子還要大。顯然,這是不對的!
解決的辦法是存在反物質、特別是正電子(也就是反電子)。在量子物理學里,真空不空——真空不是一無所有、空無一物,而是由許多虛粒子組成,它們不停地閃現、幻滅,其中就包括電子-正電子對。
電子不僅能產生光子并使之與自己發生相互作用,還能與電子-正電子對漲落中產生的正電子一起湮滅,只留下“漲落”中產生的電子。計算表明,這兩種貢獻幾乎抵消,使得電子的尺寸非常小,盡管它的電荷比較大。
在標準模型以外,當然還會有新的物理。但是,除非能量遠遠超過大型對撞機所能達到的水平,新物理也許并不會出現。無論這種猜測是否正確,我們只能試試看。與任何其他工具相比,未來的對撞機可以更好地研究已知粒子的性質。到目前為止,LHC揭示的任何事情都沒有超出標準模型的已知粒子。(來源:UNIVERSE-REVIEW.CA)
“好吧,好吧,”你說,“這是量子宇宙的偉大勝利。但這和超對稱性有什么關系呢?”
要點在于,這種量子抵消之所以發生,就是因為理論中有一種對稱性(物質和反物質之間的對稱性)保護了電子的性質,使它具有特定的質量、大小和電荷性質。
超對稱性的要點在于,可能存在一種額外的對稱性(費米子和玻色子之間的對稱性),類似地保護著物質的性質,而且使得粒子質量遠小于普朗克尺度。粒子的質量不是大約1019GeV/c2,而是比它小17個數量級——只要標準模型里的每個粒子都有一個對應的超對稱伴侶。
標準模型的粒子及其超對稱伴侶。這些粒子已經發現了不到一半,另外的一半多些卻不見蹤跡。超對稱性的想法希望改進標準模型,但是在試圖補充主流理論的時候,還沒有對宇宙做出成功的預言。(來源:CLAIRE DAVID / CERN)
你必須將已知的基本粒子數量翻一番,為每個已知的標準模型粒子創建一個超對稱伴侶(標準模型里的每個玻色子都要有一個超對稱費米子,每個費米子有一個超對稱玻色子)。但是在理論上,這種對稱性可以將這些粒子的質量降低到我們觀察到的數值。
如果這些新的超對稱粒子大約相當于電弱力的能量尺度(大約100GeV到幾個TeV),它們也可以:
1、在LHC達到的能量范圍里產生和測量;
2、使得三種量子力(電磁力、弱力和強核力)的耦合常數在理論的大統一尺度上近似統一;
3、產生一個中性的、穩定的超對稱粒子——它是宇宙中暗物質的最佳候選者。
耦合常數作為能量的函數(采用雙對數坐標),它們看起來并沒有匯合在一起(左圖)。如果按照預測的那樣把超對稱粒子加進去,耦合常數在~1015GeV(即通常的大統一尺度上)相遇,或者靠得更近。[來源:CERN (EUROPEAN ORGANIZATION FOR NUCLEAR RESEARCH), 2001]
自然界里有幾個基本常數:萬有引力常數(G),普朗克常數(h 或 ?,即 h/2π),光速(c)。這些常數的不同組合可以得到時間、長度和質量的值——這些就是普朗克單位。如果用第一性原理來預測標準模型中粒子的質量,它們就應該是普朗克質量的量級,大約是1028eV/c2。但問題是,這個質量比宇宙中觀察到的最重粒子的質量大了17個數量級,也就是100,000,000,000,000,000倍。
特別是希格斯玻色子,它應該有普朗克質量,所有其他粒子也應該如此——因為希格斯場與其他粒子耦合、給它們以質量。我們觀測到的質量僅僅是125 GeV/c2,說明應該有其他一些東西起作用。
幾年前,CMS合作項目和ATLAS合作項目宣布了希格斯玻色子的第一個可靠的5-sigma檢測。因為其質量固有的不確定性,希格斯玻色子在數據中不是一個“尖峰”,而是一個寬寬的鼓包。它的質量是125GeV/c2,而不是更合理的預測值~1019GeV/c2——這是物理學的一個不解之謎。[來源:THE CMS COLLABORATION,“OBSERVATION OF THE DIPHOTON DECAY OF THE HIGGS BOSON AND MEASUREMENT OF ITS PROPERTIES”, (2014)]
從理論上講,超對稱性是解決這個難題的一種可能方法;實際上,任何已知的其他解決方案都是不可行的。然而,唯一可能的解決方案并不意味著就一定是正確的。事實上,對于物理學來說,超對稱性的每一種預測都很有問題。
1、如果超對稱性是等級問題的解決方案,那么LHC就絕對可以達到最輕的超伴侶粒子的能量。到目前為止,LHC還沒有發現任何東西,這就足以推翻所有的超對稱性模型——但它們本來就是為解決這個問題而設計的。
2、強力不能與其他力統一。到目前為止,在我們的宇宙中還沒有統一的證據,因為質子衰變實驗沒有得到預期的結果。最初的動機在這里也站不住腳:如果你把三條曲線放在雙對數坐標系,并在足夠大的能量處放大,它們看起來總是像一個三角形,而沒有匯合在單個點。
3、如果暗物質真的由最輕的超對稱粒子構成,那么相應的觀測實驗早就應該檢測到了(例如CDMS、 XENON和Edelweiss,等等)。此外,超對稱性暗物質應該以一種非常特殊的方式湮滅,但是也從來沒有觀測到。
實驗結果嚴格地限制了WIMP暗物質的范圍。在最下方曲線以上的所有WIMP(相互作用微弱的有質量的粒子)截面和暗物質質量都被排除掉了。這意味著,超對稱性暗物質的絕大多數模型是不可行的。(來源:XENON-100 COLLABORATION (2012), VIA HTTP://ARXIV.ORG/ABS/1207.5988)
對于這個想法來說,對撞機對其自身的限制是特別要命的。要想用超對稱性解決質量為什么這么小的問題,你至少需要產生一個超對稱粒子,其質量與標準模型最重的粒子具有相同的數量級。
這是設計和建造LHC進行觀測的主要特征之一。那里根本就沒有這些粒子,因而強烈地限制了它們的質量,理論學家再也不能只用超對稱性來解決等級問題了。相反,必須有一些額外的機制(例如,劈裂的超對稱性方案)來解釋粒子的質量為什么這么小,而超對稱伴侶的質量卻那么大。換句話說,這個理論美麗、優雅而且有說服力,但是它的最初動機現在已經不再是主流了。它的預期目標并沒有實現。
在LHC第一輪實驗的早期,ATLAS合作項目在2000 GeV處看到了一種新粒子的“鼓包”(雙玻色子,diboson),許多人希望這是一種新粒子的證據。不幸的是,隨著更多數據的積累,人們發現這僅僅是一種統計噪音。從那以后,還沒有發現新粒子的可靠特征。
[ATLAS 合作項目(左圖), 來源:HTTP://ARXIV.ORG/ABS/1506.00962 ;
CMS合作項目(右圖), 來源:HTTP://ARXIV.ORG/ABS/1405.3447]
關鍵是要知道超對稱性究竟是什么,因為這個想法在理論上很有說服力。它優雅而有力地解決了其競爭對手解決不了的問題。它創造了新的可以檢驗的預言,而這些測試大部分都已經完成了。不幸的是,迄今為止的答案是,盡管超對稱性可能很有趣,但是它描述的并不是我們的宇宙。
和以往一樣,持續的實驗將是大自然的最終裁判,但沒有一個理性的人能夠認為有證據支持超對稱性。如果超對稱性是錯誤的,很多人的整個職業生涯就進了死胡同——有史以來最有趣的一個死胡同。如果在任何能量尺度上,大自然都不存在超對稱性(包括普朗克尺度,雖然這非常難以檢驗),那么弦理論(它導致了超對稱性)就無法描述我們的宇宙。
不同星系團的X射線圖(粉紅色)和總物質圖(藍色)表明,正常物質和引力效應之間有明顯的分離,這是暗物質的一些最有力的證據。盡管超對稱性為暗物質提供了一種可能的解釋,但它很難是唯一的理論。許多人希望它是解決的辦法,但是并沒有檢測到它預言的粒子,這就構成了強有力的反駁。[來源:
X-RAY: NASA/CXC/ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE, SWITZERLAND/D.HARVEY NASA/CXC/DURHAM UNIV/R.MASSEY; OPTICAL/LENSING MAP: NASA, ESA, D. HARVEY (ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE, SWITZERLAND) AND R. MASSEY (DURHAM UNIVERSITY, UK)]
關于超對稱性,科學家分為兩個非常不同的陣營。一方面,有一大群人(既有理論學家也有實驗學家)用證據說話,尋求這些謎團的其他解釋,負責任地更加嚴格地限制其可行的范圍。在近兩代人里,這個理論在一個物理分支領域里占據著主導地位,排除它也將是科學的巨大進步。
但另一方面,有很多強有力的人(主要是理論學家)將永遠相信超對稱性,特別是電弱尺度下的超對稱性,而不管證據是什么。然而,對于LHC碰撞的每一個新的質子,我們一次又一次地得到相同的答案:沒有超對稱性。不管我們是多么經常地自欺欺人,也不管有多少科學家被愚弄,大自然是實在性的最終裁判,實驗不會說謊。到今天為止,還沒有任何實驗證據支持超對稱性。
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原文標題:為什么超對稱可能是粒子物理學史上最失敗的預言?
文章出處:【微信號:bdtdsj,微信公眾號:中科院半導體所】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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