理论虽然完美 实验数据却不相配
——LHC的最新结果让人对超对称性理论产生怀疑
冯诗齐/编译
LHC中的ATLAS探测器在寻找预言中的基本粒子的“超级搭档”之努力是否已告失败？
“出色、美丽、独特”，这是戈登·凯恩(GordonKane)对超对称性理论的赞叹词。凯恩是密歇根大学安阿伯分校的理论物理学家，已经对超对称性理论研究了将近30年。他和其他许多人都相信，这个理论能解决我们所理解的存在于亚原子世界中的一些主要问题。
“超级粒子”是否存在？
不过，近来对超对称性理论的担心在逐渐增长。尽管这个理论优雅而简洁，但它有可能是错的——从跨越法-瑞边界的大型强子对撞机（LHC）的一个质子加速器获得的数据中，没有丝毫迹象显示该理论所预言的“超级粒子”的存在。“我们正在把超对称性逼入困境，”正在为LHC的ATLAS探测器工作的英国剑桥大学粒子物理学家克里斯·莱斯特(Chris Lester)说。事实上，为配合LHC的紧凑型μ介子螺线管实验，ATLAS去年一整年都在寻找超级粒子。尽管LHC在接下来的几周时间里以高能态运行还将收集到更多的数据，但如果到今年年底探测器还无法找到任何超级粒子的话，那么这个理论就会遇到一系列麻烦。
超对称性理论是为了弥补粒子物理标准模型的缺陷于1970年代引入的一种方法，它描述了构成普通物质的基本粒子的表现方式(参见‘基本粒子大家族’一图)。科学家现在已找到了由标准模型预测的除希格斯-玻色子以外的每一种粒子——理论上认为其他粒子的质量是由希格斯-玻色子赋予的。
希格斯是超对称性理论的关键所在，但其预报的质量容易受到来自于其他基本粒子量子效应原始波动的干扰。事实上，这种波动会增大希格斯预报的质量，超过其他基本粒子的实际大小而突破标准模型。尽管理论物理学家们可以从他们的方程组中消除波动的影响，但也只能通过将希格斯的质量设置为非常精准的值——一旦质量调重或调轻了，就会使整个理论大厦崩溃。因此，许多物理学家对这个需要如此小心翼翼加以微调处理的理论感到不自在。
然而，超对称性为这种‘微调’提供了一种替代办法。该理论假设，每一个普通粒子都拥有一个较重的超对称“搭档”，它们中的许多都是不稳定的，并且很少同普通物质发生交互作用。因此，超对称粒子的量子波动可以完美地与普通粒子平衡，将希格斯-玻色子调整到一个可接受的质量范围内。
理论物理学家还发现超对称性可以解决其他的一些问题。比如，某些质量最轻的超对称粒子可能就是难以捕捉的暗物质，它们自1930年代以来就被宇宙学家所孜孜苦求。尽管它们从未被观察到，然而，根据对星系运动的观测所知，宇宙物质中超过83%是由暗物质所构成。
除重力以外，超对称性理论还能用来将所有的力在高能状态下结合在一起，其最关键的一步是迈向统一和解释所有已知物理量的“万有理论”——这也是科学的最终目标之一。或许对某些理论物理学家而言，最重要的事情就在于此。诚如剑桥大学理论物理学家本·阿拉纳思(Ben Allanach)所言：“超对称是异常美妙的数学”。
超对称大厦岌岌可危？
然而，LHC在寻找超对称性理论所预言的超粒子的直接证据迄今没有任何进展，包括伊利诺伊州巴达维亚费米国立加速器实验室的Tevatron粒子加速器，在质量高达379千兆电子伏特时也未发现有超夸克的证据。
LHC目前正在整理在较高能量状态下获得的数据，以便排除超粒子在质量较重范围内存在的可能性，尽管这么做可能会带来一些负面问题：即超粒子大量增加时难以完美地消除可以校正的量子波动。理论物理学家虽然可以照样进行他们的超对称研究，但只能对超粒子假设一个非常特定的质量——这种微调操作是创立该理论时应该避免的。一旦LHC收集到更多的数据，超对称性理论需要进行更多地干预，以便对粒子质量进行微调。
到目前为止，LHC已对Tevatron粒子加速器所设定的质量限制几乎翻了一番，在能量高达700千兆电子伏特时仍未发现超夸克。到今年年底，当LHC的能量达到1000千兆电子伏特时，届时是否会排除掉对超对称性理论的一些负面评论。
“我不想说我很担心，”位于日内瓦附近的欧洲粒子物理研究所（CERN）的理论家约翰·埃利斯(John Ellis)说。他对超对称已经研究了几十年，并说他会一直等到2012年底——LHC再次以高能态运行结束为止——决不会轻易放弃对超对称性理论的研究。包括法国南巴黎大学的理论物理学家亚当·福尔科瓦斯基(Adam Falkowski)也认为，探测结果并没有相关证据表明超对称性理论已经死亡，并称超对称效应在数学上的优雅已经为这朵“鲜花”灌注了“宗教般的虔诚”。
“私下里，许多人感到超对称性理论的未来处境不妙，”意大利比萨大学理论物理学家亚历山德罗·斯特鲁米亚(Alessandro Strumia)说，他最近撰写了一篇有关LHC的最新结果对微调问题造成的冲击的论文。“目前在我们这个领域里，超对称研究如同一个重大的政治议题，”他说，“对一些伟大的物理学家而言，获得诺贝尔奖和花费毕生精力却走错了路，两者之间可有天壤之别。”埃利斯对此表示赞同：“至今我已对其研究了近30年，我能想象某些人可能会产生一些焦虑情绪。”
“如果我们发现不了超对称”，莱斯特说，“很多事情就会发生变化。”或许理论物理学家将不得不返回原地，重新寻找一种代替的方法来解决标准模型的问题。接着他补充说，这也并不一定就是一件坏事，“粒子物理作为一个整体将会真正的被激发。”
[资料来源：Nature][责任编辑：则 鸣]
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