為什麼超對稱可能是粒子物理學史上最失敗的預言?_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴(ID:fanpu2019),阅读更多!2019-04-26 10:09
****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。
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
版權説明:本文僅用於學習分享,不作任何商業使用。
《返樸》,致力好科普。國際著名物理學家文小剛與生物學家顏寧聯袂擔任總編,與幾十位學者組成的編委會一起,與你共同求索。關注《返樸》(微信號:fanpu2019)參與更多討論。二次轉載或合作請聯繫[email protected]。
特別提示:「返樸」正在求賢,有意者請戳“求賢”聯繫我們,等你來哦!