為什麼超對稱可能是粒子物理學史上最失敗的預言？_風聞

****撰文 |****Ethan Siegel

****翻譯 |****姬揚

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。但這麼漂亮的數學結構，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。

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，就可以開啓對宇宙的全新認識。

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，在標準模型裏，基本粒子的質量為什麼比普朗克質量小得多？基本常數為什麼不統一？暗物質可能是什麼？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，但是並沒有發現那些粒子。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。

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。這意味着，如果電子真的是點粒子，其能量就必定是無限大。

當然，事實並非如此。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。

根據電磁學定律，如果電子的大小使得它的電能量等於它的質量，就可以得到電子的直徑約為

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）。在量子物理學裏，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並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，儘管它的電荷比較大。

“好吧，好吧，”你説，“這是量子宇宙的偉大勝利。但這和超對稱性有什麼關係呢？”

要點在於，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。

超對稱性的要點在於，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），類似地保護着物質的性質，而且使得粒子質量遠小於普朗克尺度。粒子的質量不是大約

而是比它小17個數量級——只要標準模型裏的每個粒子都有一個對應的超對稱伴侶。

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（標準模型裏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於電弱力的能量尺度（大約100GeV到幾個TeV），它們也可以：

自然界裏有幾個基本常數：萬有引力常數（G），普朗克常數（h 或 ħ，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

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。

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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

説明應該有其他一些東西起作用。

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並不意味着就一定是正確的。事實上，對於物理學來説，超對稱性的每一種預測都很有問題。

對於這個想法來説，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麼這麼小的問題，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進行觀測的主要特徵之一。那裏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麼這麼小，而超對稱伴侶的質量卻那麼大。換句話説，這個理論美麗、優雅而且有説服力，但是它的最初動機現在已經不再是主流了。它的預期目標並沒有實現。

關鍵是要知道超對稱性究竟是什麼，因為這個想法在理論上很有説服力。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，儘管超對稱性可能很有趣，但是它描述的並不是我們的宇宙。

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衚衕——有史以來最有趣的一個死衚衕。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），那麼弦理論（它導致了超對稱性）就無法描述我們的宇宙。

關於超對稱性，科學家分為兩個非常不同的陣營。一方面，有一大羣人（既有理論學家也有實驗學家）用證據説話，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範圍。在近兩代人裏，這個理論在一個物理分支領域裏佔據着主導地位，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，而不管證據是什麼。然而，對於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。**不管我們是多麼經常地自欺欺人，也不管有多少科學家被愚弄，大自然是實在性的最終裁判，實驗不會説謊。**到今天為止，還沒有任何實驗證據支持超對稱性。

原文鏈接：https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/02/12/why-supersymmetry-may-be-the-greatest-failed-prediction-in-particle-physics-history/?from=groupmessage#7a7fcc1e69e6

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