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超对称理论的崛起与衰落

2016-10-13


夜空中的银河。(? Richard Payne)


       在过去的100年内,我们对宇宙的图景,不管是在微观尺度还是宏观尺度,都发生了巨变。


       在大尺度上,我们起初以为银河系就是整个宇宙,在这个宇宙中包含着许多的恒星和星云,并且由牛顿力学支配着。直到爱因斯坦、哈勃等人的出现,他们让我们意识到银河系只不过是数千亿星系中的沧海一粟,而这个浩瀚的宇宙是由广义相对论所支配。



宇宙的演化。(?  Rhys Taylor, Cardiff University)


       宇宙的年龄可以一直追溯回138亿年,而可观测的宇宙直径大约为920亿光年,这其中充满了普通物质(由物质构成,而不是由反物质构成),暗物质和暗能量。


       另一方面,我们对微观尺度的了解也发生了革命性的改变。



氮原子的玻尔模型。(?  2011 Encyclopaedia Britannica)


       一开始,我们只知道宇宙是由原子核、电子和光子组成的,基本相互作用也只知道引力和电磁力(爱因斯坦晚年的目标就是统一这两种力)。后来,我们对最小的粒子有了更基本、更深刻的理解。


       原子核其实是由质子和中子组成,而它们二者又是由夸克和胶子构成。我们现在也知道有两种类型的核力,一种是强核力,一种是弱核力。基本粒子也有三代,包括轻子和夸克。我们也有支配强核力、弱核力和电磁力的规范玻色子,以及希格斯玻色子。所有这些放到一起就是粒子物理学的标准模型。



标准模型:夸克(quarks)和轻子(leptons)共有三代,它们都是自旋为1/2的基本粒子;规范玻色子是传递基本相互作用的媒介粒子(比如电磁力又光子传递),它们的自旋都为整数;希格斯玻色子是自旋为0的粒子。


       现在,我们有粒子物理学的标准模型和广义相对论,以及现代宇宙学的标准模型。这意味着利用这些已经建立的物理定律,我们可以解释宇宙中观测到的所有现象。换句话说,通过模拟,我们就能够在电脑中制造出一个虚拟的宇宙,而且在物理上跟现实宇宙是无法区分的。



2度视场星系红移巡天(蓝色)对宇宙的观测与千禧年模拟(红色)对宇宙的模拟符合的相当好。(? 2dF Galaxy Redshift Survey & Millenium Simulation)


       但是,我们发现仍然有一些非常基本的问题是我们还未理解,以及无法解释的。这些问题包括:


  • 为什么物质要比反物质多?它们之间的不对称性是从何而来的?


  • 暗能量的本质是什么?是什么场或性质造成了宇宙的膨胀?


  • 暗物质的本质是什么?它是由一种粒子还是多种不同的粒子构成的?


  • 我们知道在非常高的能量状态下,电磁力和弱核力可以统一成电弱力,在低能时,我们说电弱力对称破缺。那么其它的力,比如强核力或甚至是引力,能否在更高的能量下统一?


  • 为什么标准模型中的基本粒子的质量要比普朗克质量小那么多?


【注:在自然界中有几个基本常数:引力常数(G)、普朗克常数(h)、光速(c)。这些常数的不同组合会给出时间、长度和质量,这些称为普朗克单位。】

从人的大小直到普朗克尺度。(? School of Physics UNSW)


       这最后一个问题就是物理学中的“等级问题”。它是狄拉克“大数假设”的现代版。狄拉克的问题是:为什么两个质子之间的电斥力比它们之间的引力强大约38个数量级?


为什么在电弱(下标ew)统一能量尺度与普朗克(下标pl)能量尺度之间存在高达17个数量级的差别。


       我们似乎可以说粒子物理学是一个等级森严的领域。四种基本力的强度悬殊,从强到弱(即从强核力到引力)形成等级。物理学中的不同质量也形成等级,最顶层的是普朗克质量,最底层的就是真空能量。



质量/能量标度。


       如果从基本原理预测标准模型的粒子的质量,它们的质量应当约为普朗克质量,大概在能量101?GeV。(量子力学有一个奇怪的趋向,要把所有质量拉到一起趋向普朗克质量。)但问题是,已被探测到的质量最大的粒子都要比普朗克质量小10?1?倍。特别是,作为赋予基本粒子质量的希格斯玻色子,它的质量应该非常大,因为它跟如此多的粒子相互作用。



pp → hh + X的费恩曼图。(? arXiv:1206.5001 )


       而我们现在已经知道,希格斯玻色子的质量只有125GeV,这跟普朗克能量尺度相差十几个数量级,而不是理论所期待的在同一个等级。


       因此,我们要问,为什么粒子的质量是我们现在观测到的质量,而不是接近普朗克质量?最优美的一个解决方法是存在一个额外的对称,可以抵消所有普朗克尺度的贡献,使粒子的质量要比普朗克质量低的多。



在超对称理论中,希格斯玻色子的质量的平方发散被消除了。(? Wikimedia Commons)


       这就是“超对称”理论背后的想法。超对称做了一个非常大胆的预言:每一个标准模型中的基本粒子都有一种被称为超对称伙伴的粒子与之匹配,它们的性质几乎完全一样,除了超对称伙伴的自旋与原粒子相差±?。



左边为标准模型粒子,右边为超对称粒子。(? DESY)


       所有的费米子(比如夸克和轻子)都有一个玻色子的超对称伙伴(比如超夸克和超轻子),以及所有的玻色子(比如光子和胶子)都有费米子超对称伙伴(比如光微子和超胶子)。


       这些超对称伙伴可以保护所有粒子的质量(包括标准模型中的粒子以及超对称中的粒子),在超对称破缺时,都远比普朗克质量要小,而超对称伙伴会得到比标准模型中的粒子更大的质量。


       【注:自发对称破缺是粒子物理学标准模型的基础原则之一。举一个简单的粒子,让铅笔竖立在笔尖,这是对称的,即在平衡时,各方向是一样的。但它是不稳定的。铅笔倒下时(肯定会倒下的),它会随机倒向一方,从而打破对称。自发对称破缺的机制可以发生在自然的粒子之间的对称性中。比如当对称破缺后,四种基本力会有不同的作用范围和强度。希格斯机制就是应用自发对称破缺来赋予粒子质量的。这种自发破缺可以推广到超对称。】



粒子动物园。(? ?New Scientist)


       如果超对称在正好的尺度下(大约在100GeV和1TeV之间,也就是标准模型最重粒子的质量区间)破缺,那么最轻的超对称粒子(LSP)应该能够被大型强子对撞机(LHC)探测到。


       还有一系列其它的事情并没有在标准模型的框架下发生:重子数量没有被违反,轻子质量没有被违反,也没有味变中性流。为了让这些事情也不会在超对称理论中发生,我们需要一个新的对称,称为R宇称。如果R宇称和超对称是对的,那么最轻的超对称粒子就是稳定的。这就意味着如果在热大爆炸后有足够的这些粒子遗留下来,它们就很可能是暗物质!



CDMS实验。(? ?Fermilab)


       超对称还有另外一个非常值得一提的结果是,如果你取标准模型中所有的粒子,并且观察三种相互作用的强度,你会发现力的强度——由耦合常数决定——会随着能量改变。当能量越来越高的时候,它们三者倾向于在某个点会聚(大约在能量101?GeV,即大统一能量尺度),但在标准模型框架内,耦合常数在任何能量下都不彼此相等。而如果把超对称考虑进来,这些额外的新粒子会改变耦合常数的演变。因此,如果超对称是对的,它暗示在在大统一能量尺度下,电磁力、弱力和强核力的耦合常数在高能下会聚到了一起,这样的一种理论被称为大统一理论。



当我们考虑超对称的时候,电磁力、弱力和强核力同时会聚在一点上(右边)。(? ?CERN)


       换句话说,现在有三个(算上柯尔曼-满杜拉定理的话共有四个)主要的问题可以被超对称解决,物理学家不得不被这样一个优美的理论所折服。


       但是超对称解决的这三个问题都遇到了一点麻烦:


  1. 如果它解决了等级问题,那么LHC应该会发现新的超对称粒子。在所有超对称模型中,这些新粒子应该早就被发现了。



  2. 事实上,如果最轻的超对称粒子是宇宙中的暗物质,那么设计用来寻找它们的实验,比如CDMS和XENON,也应该找到它们。此外,超对称暗物质应该以一种特别的方式湮灭,但我们还没有观测到。到目前为止,我们没有探测到任何的信号,这对理论本身构成了威胁。而且,要知道还有许多其它被科学家青睐的暗物质候选者,超对称并不是唯一的选择。

  3. 强核力或许并不能和其它的力统一!除了我们倾向于喜欢事物之间有更强的对称,但并没有理由一定要这样。其实,就算考虑超对称,当你三种基本相互作用的耦合强度的演化线条放的足够大,你会发现三条线之间总是有一个小三角存在,也就是说,三条线并没有会聚在一点,总是差那么一点点。


       超对称所面临的最大失败并不是理论上的,而是实验上的。



超对称理论的中年危机。(? Geoff Brumfiel/Nature)


       如果超对称粒子存在,那么应该早被LHC探测到。许多科学家都对超对称充满信心。比如2004年度诺贝尔得主弗朗克·韦尔切克就是超对称的超级粉丝,他与理论物理学家贾瑞特·里希打赌LHC在2015年7月8日之前会找到超对称粒子。很显然,弗朗克·韦尔切克输了这场赌局。仍然有许多理论物理学家和实验物理学家都对超对称保持乐观态度,但是几乎所有的成功解释等级问题的模型都已经被排除了。


       不过,持续的实验才是自然的最终仲裁者。我认为许多物理学家仍然愿意相信超对称是出于两个简单的理由。


       首先,有许多物理学家花费了它们毕生的学术生涯追求超对称,如果超对称不是自然的一部分,那么这些人付出的研究都将付之东流。例如,如果自然界不存在超对称,在任何的能量尺度下(包括普朗克尺度),弦理论都不能描述我们的宇宙。弦理论是“万有理论”的最有力候选者之一。但是要证明它的正确性却是非常难。如果能够发现超对称,那么至少对弦理论是一枚强心剂。(理论家也已经把现存的各种理论超对称化。例如,爱因斯坦的引力理论的超对称形式就是包含引力微子的超引力。)


       其次,在等级问题上,并没有其它能够表现的跟超对称一样好的解决方案。如果没有超对称,那么我们就必须承认我们并不知道为什么标准模型的粒子的质量要比普朗克质量小那么多。


       超对称最大的问题在于它预言了新的粒子的存在,且是在一些特定的能量区域内。而LHC已经达到这个能量区域,但是它们没有发现任何蛛丝马迹。



超对称要符合观测数据,它就必须被隐藏了或“自发破缺”。(? Matt Strassler)


       如果想利用超对称来解决等级问题,我们可以使用任何一个超对称模型(包括MSSM,NMSSM,CMSSM或者NUMH1等等)来解决,这些不同的模型之间都有一个共同的特点:至少有一个不是标准模型粒子的新粒子在能量1TeV以下,这是对撞机可以达到的能量。如果存在超对称粒子,那么大型强子对撞机应该肯定能探测到,但目前实验家没有找到任何超对称所需要的超伙伴。


       如果新粒子不存在,那么这也就不是正确的道路。无论它可以解决多少问题,无论它有多么优美,无论我们为它付出多少心血,但物理学最终要基于实验的验证。就目前的实验数据而言,似乎暗示着超对称已经走到了尽头。

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