超對(duì)稱是基本粒子理論中一個(gè)可能存在的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu),,這一結(jié)構(gòu)非常神奇,。理論物理學(xué)家用它得出了一個(gè)比一個(gè)漂亮的結(jié)果。但這么漂亮的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu),,是不是真的描寫(xiě)了我們這個(gè)宇宙的基本粒子,?我們這個(gè)宇宙的基本粒子理論是不是真的是最漂亮的?目前的實(shí)驗(yàn)給出的答案是:否,。我們也許需要更高能的實(shí)驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱,。也可能,超對(duì)稱根本不存在,。 撰文 | Ethan Siegel 翻譯 | 姬揚(yáng) 高能粒子彼此碰撞,,產(chǎn)生大量新的粒子,可以用探測(cè)器看到,。通過(guò)重構(gòu)每個(gè)粒子的能量,、動(dòng)量和其他性質(zhì),我們可以推斷發(fā)生碰撞的粒子及其產(chǎn)物,。自Wess和Zumino首次提出超對(duì)稱性以來(lái)已經(jīng)快50年了,,但是還沒(méi)有觀測(cè)到任何超對(duì)稱粒子。(來(lái)源:FERMILAB) 有時(shí)候,理論物理學(xué)會(huì)產(chǎn)生深?yuàn)W的想法,。如果某個(gè)想法一舉解決了一系列疑難問(wèn)題,、同時(shí)給出新的可以檢驗(yàn)的預(yù)測(cè),就一定會(huì)引起極大的興趣,。它不僅提供了潛在的前進(jìn)之路,,還能吸引人們的想象力。如果它的預(yù)測(cè)得到證實(shí),,就可以開(kāi)啟對(duì)宇宙的全新認(rèn)識(shí),。 當(dāng)物理學(xué)家遇到超對(duì)稱性(supersymmetry, SUSY)的時(shí)候,情況恰恰如此,。沒(méi)有人知道,,在標(biāo)準(zhǔn)模型里,基本粒子的質(zhì)量為什么比普朗克質(zhì)量小得多,?基本常數(shù)為什么不統(tǒng)一,?暗物質(zhì)可能是什么?超對(duì)稱性理論對(duì)每一個(gè)問(wèn)題都給出了答案,,還預(yù)言了很多的新粒子,。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)的第二輪實(shí)驗(yàn)已經(jīng)結(jié)束了,但是并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)那些粒子,。用超對(duì)稱性解決這些問(wèn)題的夢(mèng)想已經(jīng)破滅,,物理學(xué)家必須面對(duì)這個(gè)現(xiàn)實(shí)。 標(biāo)準(zhǔn)模型的夸克和輕子的質(zhì)量,。在標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量是511 keV/c2,。中微子比電子至少要輕400萬(wàn)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(1019 GeV)大得令人不安。我們不知道有什么粒子比頂夸克還重,。(來(lái)源:HITOSHI MURAYAMA OF HTTP://HITOSHI.BERKELEY.EDU/) 超對(duì)稱性的動(dòng)機(jī)可以追溯到量子力學(xué)的早期和電子的問(wèn)題,。電子是個(gè)問(wèn)題,因?yàn)樗鼪](méi)有大小——它是一個(gè)點(diǎn)粒子,,但確實(shí)有電荷,。只要有電荷,就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)和電勢(shì),。因?yàn)樗旧碛须姾?,所以就能感受到自己產(chǎn)生的電勢(shì):電子存在的本身就導(dǎo)致了固有的能量。電子越小,其內(nèi)部能量就越大,。這意味著,,如果電子真的是點(diǎn)粒子,其能量就必定是無(wú)限大,。 當(dāng)然,,事實(shí)并非如此。電子的固有能量是有限的,,由它的靜止質(zhì)量和著名的愛(ài)因斯坦方程E=mc2決定,。 量子場(chǎng)論計(jì)算得到的量子真空中的虛擬粒子(具體地說(shuō),針對(duì)的是強(qiáng)相互作用),。即使周?chē)粺o(wú)所有,,這種真空能量也不等于零。粒子-反粒子對(duì)可以突然出現(xiàn)或消失,,與電子這樣的真實(shí)粒子相互作用,,從而修正電子非常重要的自能。(來(lái)源:DEREK LEINWEBER) 根據(jù)電磁學(xué)定律,,如果電子的大小使得它的電能量等于它的質(zhì)量,,就可以得到電子的直徑約為5×10-15米,比質(zhì)子還要大,。顯然,,這是不對(duì)的! 解決的辦法是存在反物質(zhì),、特別是正電子(也就是反電子),。在量子物理學(xué)里,真空不空——真空不是一無(wú)所有,、空無(wú)一物,,而是由許多虛粒子組成,它們不停地閃現(xiàn),、幻滅,,其中就包括電子-正電子對(duì)。 電子不僅能產(chǎn)生光子并使之與自己發(fā)生相互作用,,還能與電子-正電子對(duì)漲落中產(chǎn)生的正電子一起湮滅,,只留下“漲落”中產(chǎn)生的電子。計(jì)算表明,,這兩種貢獻(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)模型以外,,當(dāng)然還會(huì)有新的物理。但是,除非能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大型對(duì)撞機(jī)所能達(dá)到的水平,,新物理也許并不會(huì)出現(xiàn),。無(wú)論這種猜測(cè)是否正確,我們只能試試看,。與任何其他工具相比,,未來(lái)的對(duì)撞機(jī)可以更好地研究已知粒子的性質(zhì)。到目前為止,,LHC揭示的任何事情都沒(méi)有超出標(biāo)準(zhǔn)模型的已知粒子,。(來(lái)源:UNIVERSE-REVIEW.CA) “好吧,好吧,,”你說(shuō),,“這是量子宇宙的偉大勝利。但這和超對(duì)稱性有什么關(guān)系呢,?” 要點(diǎn)在于,,這種量子抵消之所以發(fā)生,就是因?yàn)槔碚撝杏幸环N對(duì)稱性(物質(zhì)和反物質(zhì)之間的對(duì)稱性)保護(hù)了電子的性質(zhì),,使它具有特定的質(zhì)量,、大小和電荷性質(zhì)。 超對(duì)稱性的要點(diǎn)在于,,可能存在一種額外的對(duì)稱性(費(fèi)米子和玻色子之間的對(duì)稱性),,類似地保護(hù)著物質(zhì)的性質(zhì),而且使得粒子質(zhì)量遠(yuǎn)小于普朗克尺度,。粒子的質(zhì)量不是大約1019 GeV/c2,,而是比它小17個(gè)數(shù)量級(jí)——只要標(biāo)準(zhǔn)模型里的每個(gè)粒子都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的超對(duì)稱伴侶。 標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子及其超對(duì)稱伴侶,。這些粒子已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了不到一半,,另外的一半多些卻不見(jiàn)蹤跡。超對(duì)稱性的想法希望改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)模型,,但是在試圖補(bǔ)充主流理論的時(shí)候,,還沒(méi)有對(duì)宇宙做出成功的預(yù)言。(來(lái)源:CLAIRE DAVID / CERN) 你必須將已知的基本粒子數(shù)量翻一番,,為每個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子創(chuàng)建一個(gè)超對(duì)稱伴侶(標(biāo)準(zhǔn)模型里的每個(gè)玻色子都要有一個(gè)超對(duì)稱費(fèi)米子,,每個(gè)費(fèi)米子有一個(gè)超對(duì)稱玻色子),。但是在理論上,,這種對(duì)稱性可以將這些粒子的質(zhì)量降低到我們觀察到的數(shù)值。 如果這些新的超對(duì)稱粒子大約相當(dāng)于電弱力的能量尺度(大約100GeV到幾個(gè)TeV),,它們也可以: 1,、在LHC達(dá)到的能量范圍里產(chǎn)生和測(cè)量; 2、使得三種量子力(電磁力,、弱力和強(qiáng)核力)的耦合常數(shù)在理論的大統(tǒng)一尺度上近似統(tǒng)一,; 3、產(chǎn)生一個(gè)中性的,、穩(wěn)定的超對(duì)稱粒子——它是宇宙中暗物質(zhì)的最佳候選者,。 耦合常數(shù)作為能量的函數(shù)(采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)),它們看起來(lái)并沒(méi)有匯合在一起(左圖),。如果按照預(yù)測(cè)的那樣把超對(duì)稱粒子加進(jìn)去,,耦合常數(shù)在~1015GeV(即通常的大統(tǒng)一尺度上)相遇,或者靠得更近,。[來(lái)源:CERN (EUROPEAN ORGANIZATION FOR NUCLEAR RESEARCH), 2001] 自然界里有幾個(gè)基本常數(shù):萬(wàn)有引力常數(shù)(G),,普朗克常數(shù)(h 或 ?,即 h/2π),,光速(c),。這些常數(shù)的不同組合可以得到時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量的值——這些就是普朗克單位,。如果用第一性原理來(lái)預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)模型中粒子的質(zhì)量,,它們就應(yīng)該是普朗克質(zhì)量的量級(jí),大約是1028 eV/c2,。但問(wèn)題是,,這個(gè)質(zhì)量比宇宙中觀察到的最重粒子的質(zhì)量大了17個(gè)數(shù)量級(jí),也就是100,000,000,000,000,000倍,。 特別是希格斯玻色子,,它應(yīng)該有普朗克質(zhì)量,所有其他粒子也應(yīng)該如此——因?yàn)橄8袼箞?chǎng)與其他粒子耦合,、給它們以質(zhì)量,。我們觀測(cè)到的質(zhì)量?jī)H僅是125 GeV/c2,說(shuō)明應(yīng)該有其他一些東西起作用,。 幾年前,,CMS合作項(xiàng)目和ATLAS合作項(xiàng)目宣布了希格斯玻色子的第一個(gè)可靠的5-sigma檢測(cè)。因?yàn)槠滟|(zhì)量固有的不確定性,,希格斯玻色子在數(shù)據(jù)中不是一個(gè)“尖峰”,,而是一個(gè)寬寬的鼓包。它的質(zhì)量是125GeV/c2,,而不是更合理的預(yù)測(cè)值~1019GeV/c2——這是物理學(xué)的一個(gè)不解之謎,。[來(lái)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(duì)稱性是解決這個(gè)難題的一種可能方法,;實(shí)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(shí)上,,對(duì)于物理學(xué)來(lái)說(shuō),超對(duì)稱性的每一種預(yù)測(cè)都很有問(wèn)題,。 1,、如果超對(duì)稱性是等級(jí)問(wèn)題的解決方案,那么LHC就絕對(duì)可以達(dá)到最輕的超伴侶粒子的能量,。到目前為止,,LHC還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何東西,這就足以推翻所有的超對(duì)稱性模型——但它們本來(lái)就是為解決這個(gè)問(wèn)題而設(shè)計(jì)的,。 2,、強(qiáng)力不能與其他力統(tǒng)一。到目前為止,,在我們的宇宙中還沒(méi)有統(tǒng)一的證據(jù),,因?yàn)橘|(zhì)子衰變實(shí)驗(yàn)沒(méi)有得到預(yù)期的結(jié)果。最初的動(dòng)機(jī)在這里也站不住腳:如果你把三條曲線放在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系,,并在足夠大的能量處放大,,它們看起來(lái)總是像一個(gè)三角形,而沒(méi)有匯合在單個(gè)點(diǎn),。 3,、如果暗物質(zhì)真的由最輕的超對(duì)稱粒子構(gòu)成,那么相應(yīng)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)早就應(yīng)該檢測(cè)到了(例如CDMS,、 XENON和Edelweiss,,等等)。此外,,超對(duì)稱性暗物質(zhì)應(yīng)該以一種非常特殊的方式湮滅,,但是也從來(lái)沒(méi)有觀測(cè)到。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果嚴(yán)格地限制了WIMP暗物質(zhì)的范圍,。在最下方曲線以上的所有WIMP(相互作用微弱的有質(zhì)量的粒子)截面和暗物質(zhì)質(zhì)量都被排除掉了,。這意味著,超對(duì)稱性暗物質(zhì)的絕大多數(shù)模型是不可行的,。(來(lái)源:XENON-100 COLLABORATION (2012), VIA HTTP://ARXIV.ORG/ABS/1207.5988) 對(duì)于這個(gè)想法來(lái)說(shuō),,對(duì)撞機(jī)對(duì)其自身的限制是特別要命的。要想用超對(duì)稱性解決質(zhì)量為什么這么小的問(wèn)題,,你至少需要產(chǎn)生一個(gè)超對(duì)稱粒子,,其質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)模型最重的粒子具有相同的數(shù)量級(jí)。 這是設(shè)計(jì)和建造LHC進(jìn)行觀測(cè)的主要特征之一,。那里根本就沒(méi)有這些粒子,,因而強(qiáng)烈地限制了它們的質(zhì)量,理論學(xué)家再也不能只用超對(duì)稱性來(lái)解決等級(jí)問(wèn)題了,。相反,,必須有一些額外的機(jī)制(例如,劈裂的超對(duì)稱性方案)來(lái)解釋粒子的質(zhì)量為什么這么小,,而超對(duì)稱伴侶的質(zhì)量卻那么大,。換句話說(shuō),這個(gè)理論美麗,、優(yōu)雅而且有說(shuō)服力,,但是它的最初動(dòng)機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)不再是主流了。它的預(yù)期目標(biāo)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn),。 在LHC第一輪實(shí)驗(yàn)的早期,,ATLAS合作項(xiàng)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(jù),。不幸的是,隨著更多數(shù)據(jù)的積累,,人們發(fā)現(xiàn)這僅僅是一種統(tǒng)計(jì)噪音,。從那以后,還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新粒子的可靠特征,。 [ATLAS 合作項(xiàng)目(左圖), 來(lái)源:HTTP://ARXIV.ORG/ABS/1506.00962 ,; CMS合作項(xiàng)目(右圖), 來(lái)源:HTTP://ARXIV.ORG/ABS/1405.3447] 關(guān)鍵是要知道超對(duì)稱性究竟是什么,因?yàn)檫@個(gè)想法在理論上很有說(shuō)服力,。它優(yōu)雅而有力地解決了其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手解決不了的問(wèn)題,。它創(chuàng)造了新的可以檢驗(yàn)的預(yù)言,而這些測(cè)試大部分都已經(jīng)完成了,。不幸的是,,迄今為止的答案是,盡管超對(duì)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(xù)的實(shí)驗(yàn)將是大自然的最終裁判,,但沒(méi)有一個(gè)理性的人能夠認(rèn)為有證據(jù)支持超對(duì)稱性,。如果超對(duì)稱性是錯(cuò)誤的,很多人的整個(gè)職業(yè)生涯就進(jìn)了死胡同——有史以來(lái)最有趣的一個(gè)死胡同,。如果在任何能量尺度上,,大自然都不存在超對(duì)稱性(包括普朗克尺度,雖然這非常難以檢驗(yàn)),,那么弦理論(它導(dǎo)致了超對(duì)稱性)就無(wú)法描述我們的宇宙,。 不同星系團(tuán)的X射線圖(粉紅色)和總物質(zhì)圖(藍(lán)色)表明,,正常物質(zhì)和引力效應(yīng)之間有明顯的分離,這是暗物質(zhì)的一些最有力的證據(jù),。盡管超對(duì)稱性為暗物質(zhì)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(méi)有檢測(cè)到它預(yù)言的粒子,,這就構(gòu)成了強(qiáng)有力的反駁。[來(lái)源: |
|
來(lái)自: quantum555 > 《科普知識(shí)》