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2019-04-30 00:22:11

来源:返朴     ID:fanpu2019

撰文 | Ethan Siegel

翻译 | 姬扬

超对称是基本粒子理论中一个可能存在的数学结构,这一结构非常神奇。理论物理学家用它得出了一个比一个漂亮的结果。但这么漂亮的数学结构,是不是真的描写了我们这个宇宙的基本粒子?我们这个宇宙的基本粒子理论是不是真的是最漂亮的?目前的实验给出的答案是:否。我们也许需要更高能的实验才能发现超对称。也可能,超对称根本不存在。

高能粒子彼此碰撞,产生大量新的粒子,可以用探测器看到。通过重构每个粒子的能量、动量和其他性质,我们可以推断发生碰撞的粒子及其产物。自Wess和Zumino首次提出超对称性以来已经快50年了,但是还没有观测到任何超对称粒子。(来源:FERMILAB)

有时候,理论物理学会产生深奥的想法。如果某个想法一举解决了一系列疑难问题、同时给出新的可以检验的预测,就一定会引起极大的兴趣。它不仅提供了潜在的前进之路,还能吸引人们的想象力。如果它的预测得到证实,就可以开启对宇宙的全新认识。

当物理学家遇到超对称性(supersymmetry, SUSY)的时候,情况恰恰如此。没有人知道,在标准模型里,基本粒子的质量为什么比普朗克质量小得多?基本常数为什么不统一?暗物质可能是什么?超对称性理论对每一个问题都给出了答案,还预言了很多的新粒子。大型强子对撞机(LHC)的第二轮实验已经结束了,但是并没有发现那些粒子。用超对称性解决这些问题的梦想已经破灭,物理学家必须面对这个现实。

超对称性的动机可以追溯到量子力学的早期和电子的问题。电子是个问题,因为它没有大小——它是一个点粒子,但确实有电荷。只要有电荷,就会产生电场和电势。因为它本身有电荷,所以就能感受到自己产生的电势:电子存在的本身就导致了固有的能量。电子越小,其内部能量就越大。这意味着,如果电子真的是点粒子,其能量就必定是无限大。

当然,事实并非如此。电子的固有能量是有限的,由它的静止质量和著名的爱因斯坦方程E=mc2决定。

根据电磁学定律,如果电子的大小使得它的电能量等于它的质量,就可以得到电子的直径约为5×10-15米,比质子还要大。显然,这是不对的!

解决的办法是存在反物质、特别是正电子(也就是反电子)。在量子物理学里,真空不空——真空不是一无所有、空无一物,而是由许多虚粒子组成,它们不停地闪现、幻灭,其中就包括电子-正电子对。

电子不仅能产生光子并使之与自己发生相互作用,还能与电子-正电子对涨落中产生的正电子一起湮灭,只留下“涨落”中产生的电子。计算表明,这两种贡献几乎抵消,使得电子的尺寸非常小,尽管它的电荷比较大。

“好吧,好吧,”你说,“这是量子宇宙的伟大胜利。但这和超对称性有什么关系呢?”

要点在于,这种量子抵消之所以发生,就是因为理论中有一种对称性(物质和反物质之间的对称性)保护了电子的性质,使它具有特定的质量、大小和电荷性质。

超对称性的要点在于,可能存在一种额外的对称性(费米子和玻色子之间的对称性),类似地保护着物质的性质,而且使得粒子质量远小于普朗克尺度。粒子的质量不是大约1019 GeV/c2,而是比它小17个数量级——只要标准模型里的每个粒子都有一个对应的超对称伴侣。

你必须将已知的基本粒子数量翻一番,为每个已知的标准模型粒子创建一个超对称伴侣(标准模型里的每个玻色子都要有一个超对称费米子,每个费米子有一个超对称玻色子)。但是在理论上,这种对称性可以将这些粒子的质量降低到我们观察到的数值。

如果这些新的超对称粒子大约相当于电弱力的能量尺度(大约100GeV到几个TeV),它们也可以:

1、在LHC达到的能量范围里产生和测量;

2、使得三种量子力(电磁力、弱力和强核力)的耦合常数在理论的大统一尺度上近似统一;

3、产生一个中性的、稳定的超对称粒子——它是宇宙中暗物质的最佳候选者。

自然界里有几个基本常数:万有引力常数(G),普朗克常数(h 或 ?,即 h/2π),光速(c)。这些常数的不同组合可以得到时间、长度和质量的值——这些就是普朗克单位。如果用第一性原理来预测标准模型中粒子的质量,它们就应该是普朗克质量的量级,大约是1028 eV/c2。但问题是,这个质量比宇宙中观察到的最重粒子的质量大了17个数量级,也就是100,000,000,000,000,000倍。

特别是希格斯玻色子,它应该有普朗克质量,所有其他粒子也应该如此——因为希格斯场与其他粒子耦合、给它们以质量。我们观测到的质量仅仅是125 GeV/c2,说明应该有其他一些东西起作用。

从理论上讲,超对称性是解决这个难题的一种可能方法;实际上,任何已知的其他解决方案都是不可行的。然而,唯一可能的解决方案并不意味着就一定是正确的。事实上,对于物理学来说,超对称性的每一种预测都很有问题。

1、如果超对称性是等级问题的解决方案,那么LHC就绝对可以达到最轻的超伴侣粒子的能量。到目前为止,LHC还没有发现任何东西,这就足以推翻所有的超对称性模型——但它们本来就是为解决这个问题而设计的。

2、强力不能与其他力统一。到目前为止,在我们的宇宙中还没有统一的证据,因为质子衰变实验没有得到预期的结果。最初的动机在这里也站不住脚:如果你把三条曲线放在双对数坐标系,并在足够大的能量处放大,它们看起来总是像一个三角形,而没有汇合在单个点。

3、如果暗物质真的由最轻的超对称粒子构成,那么相应的观测实验早就应该检测到了(例如CDMS、 XENON和Edelweiss,等等)。此外,超对称性暗物质应该以一种非常特殊的方式湮灭,但是也从来没有观测到。

对于这个想法来说,对撞机对其自身的限制是特别要命的。要想用超对称性解决质量为什么这么小的问题,你至少需要产生一个超对称粒子,其质量与标准模型最重的粒子具有相同的数量级。

这是设计和建造LHC进行观测的主要特征之一。那里根本就没有这些粒子,因而强烈地限制了它们的质量,理论学家再也不能只用超对称性来解决等级问题了。相反,必须有一些额外的机制(例如,劈裂的超对称性方案)来解释粒子的质量为什么这么小,而超对称伴侣的质量却那么大。换句话说,这个理论美丽、优雅而且有说服力,但是它的最初动机现在已经不再是主流了。它的预期目标并没有实现。

关键是要知道超对称性究竟是什么,因为这个想法在理论上很有说服力。它优雅而有力地解决了其竞争对手解决不了的问题。它创造了新的可以检验的预言,而这些测试大部分都已经完成了。不幸的是,迄今为止的答案是,尽管超对称性可能很有趣,但是它描述的并不是我们的宇宙。

和以往一样,持续的实验将是大自然的最终裁判,但没有一个理性的人能够认为有证据支持超对称性。如果超对称性是错误的,很多人的整个职业生涯就进了死胡同——有史以来最有趣的一个死胡同。如果在任何能量尺度上,大自然都不存在超对称性(包括普朗克尺度,虽然这非常难以检验),那么弦理论(它导致了超对称性)就无法描述我们的宇宙。

关于超对称性,科学家分为两个非常不同的阵营。一方面,有一大群人(既有理论学家也有实验学家)用证据说话,寻求这些谜团的其他解释,负责任地更加严格地限制其可行的范围。在近两代人里,这个理论在一个物理分支领域里占据着主导地位,排除它也将是科学的巨大进步。

但另一方面,有很多强有力的人(主要是理论学家)将永远相信超对称性,特别是电弱尺度下的超对称性,而不管证据是什么。然而,对于LHC碰撞的每一个新的质子,我们一次又一次地得到相同的答案:没有超对称性。不管我们是多么经常地自欺欺人,也不管有多少科学家被愚弄,大自然是实在性的最终裁判,实验不会说谎。到今天为止,还没有任何实验证据支持超对称性。

《返朴》,致力好科普。国际著名物理学家文小刚与生物学家颜宁联袂担任总编,与几十位学者组成的编委会一起,与你共同求索。关注《返朴》(微信号:fanpu2019)参与更多讨论。二次转载或合作请联系fanpu2019@outlook.com。

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