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粒子物理学到了转折关头《世界科学》

粒子物理学到了转折关头

冯诗齐/编译

作为一种尚未被人知晓、然而却为其他粒子产生质量的希格斯玻色子,是完成并确认粒子物理标准模型所需的最后一个要素。

戈登·凯恩

 

希格斯玻色子将扩展标准模型

希格斯玻色子的发现或将使标准模型更为完整。让我们暂且同意,大型强子对撞机(LHC)的探测器ATLAS以及紧凑型μ介子螺线管已经发现了一个质量约125千兆电子伏特(GeV)的希格斯玻色子。虽然标准的统计测度不会考虑确定性的状态,看来很可能欧洲核子中心(CERN)确实已有所发现——瑞士日内瓦近郊的欧洲高能物理实验室的两台完全不同的探测器,都看到相同质量所产生的某些有意义的信号,即在两个或多个通道中看到了预期的信号。

对于寻求物理世界的基本统一理论而言,这是一个具有深远意义的转折点。LHC的希格斯玻色子的性质和质量表明,物理学家将很快找到粒子的超伴子,我们已经开始将弦理论同现实世界联系在一起了。

作为一种尚未被人知晓、然而却为其他粒子产生质量的希格斯玻色子,是完成并确认粒子物理标准模型所需的最后一个要素。这个令人惊异的理论将粒子(夸克和轻子)和强相互作用力、弱相互作用力、电磁力描述为是它们的相互作用(加上引力理论)形成了我们的世界。夸克的结合形成质子和中子;质子和中子形成原子核;原子核和电子 (一种轻子)构成原子,然后是分子、人、行星、恒星以及其他,等等。

标准模型并没有什么困惑和问题,从凝聚态物理到天体物理,所有的一切都被纳入到一个基本的层面——实现了物理学四个世纪的目标。希格斯本身已被搜索了几十年之久:在LHC其信号透露的主要途径是粒子衰变为两个光子。我和我的合作者是在1980年代中期第一次研究这种信号,以作为一种在超导超级对撞机(Superconducting Super Collider)中检测希格斯玻色子的可能方法。超导超级对撞机建于得克萨斯州沃克西哈奇,但在1993年被关闭。

除了完善标准模型,希格斯的发现还将告诉我们,有关自然法则的一种未来的更深层的理论必须包括并考量基本的希格斯玻色子(物理学家已经提出的替代理论包含像复合希格斯玻色子这样的古怪东西,然而CERN的发现本质上并不包含它们)。这将扩展标准模型,进而阐明类似于超对称性和暗物质起源等问题。

“希格斯玻色子的属性和质量强有力地表明,我们已经开始把弦理论同现实世界联系在一起了。

希格斯玻色子具有超对称形式?

CERN的发现为未来提供的主要和意外的线索,是所报道的希格斯玻色子信号似乎表现得好像是一个“标准模型希格斯玻色子”。在标准模型中这是不可能出现的,因为相对论量子场论告诉我们,希格斯的质量必须经受远大于质量本身的量子校正。由于夸克、轻子以及影响弱相互作用力的WZ玻色子的质量本身依赖于希格斯的质量,标准模型所预测的其质量要比我们所观测到的大许多个数量级。

毋庸置疑,当标准模型扩展成超对称模型时,所预测的希格斯玻色子的性质也发生改变。其数学性质得到改善而由此产生的理论也更加现实。

物理学家认为,被发现的希格斯玻色子应当具有这种超对称的形式,而我们怎么会发现一个似乎与不可能的标准模型版本相同的东西?对此寻求更为合理的解释,就能在将标准模型扩展为基础更广泛的理论方面迈出一大步。

解释之一可能来自一个意外的来源,即弦理论或其扩展的M-理论。与你可能已经听到的相反,有关现实世界的预测,可以由弦理论来构建,虽然10-维或11-维理论必须首先被“紧致化”为4(67个小维度是保持卷曲状态)。在这方面以及在如何将描述卷曲维度的范围稳定方面,取得了相当大的进展。

我和我的合作者已经证明,在通常的弦理论和M-理论中——符合宇宙学的约束并包含了产生质量的希格斯机制——最轻的希格斯玻色子表现得非常像标准模型希格斯玻色子。并且正如观察所见,它具有约125GeV的质量。

我们的这些结果是在20118月威斯康辛州麦迪逊举行的国际弦现象学研讨会上首次报道的。恰好在CERN的数据公布前几天,我们发表了一篇论文包含了明显更精确的预测 (G.Kane et al. http://arXiv.org/abs/1112.1059; 2011)

同样正确地预测了希格斯质量的M-理论,预测在LHC中也应当发现超伴子(superpartner)的谱以及与其相关的某些信号。像超胶子(gluinos)这样的粒子——它是胶子的超伴子,影响强相互作用力——尚未在由弦理论所预测的衰减模式(主要是顶夸克和底夸克的衰减)中被确切地搜索到。也许会在2012年的这些模式中发现它们。如果所言不虚,则这个发现给人的印象虽可能不如希格斯玻色子的新闻,但影响会更大。因为最终我们会迎来弦理论的时代。

[资料来源:Nature][责任编辑:则 鸣]

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本文作者戈登·凯恩(Gordon Kane),密歇根大学安阿伯分校理论物理学家,对超对称性理论研究了近30年。

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