热点为什么超对称可能是粒子物理学史上最失败

　超对称是基本粒子理论中一个可能存在的数学构造，这一结构十分特异。实际物理学家用它得出了一个比一个明媚的结果。但这么漂明的数学布局，是否是真的描画了咱们这个宇宙的基本粒子？咱们这个宇宙的基本粒子理论是不是真的是最艳丽的？目前的实验给出的谜底是：否。咱们也许需要更高能的试验才力发现超对称。也可能，超对称根柢不存在。

 

 

　　高能粒子彼此碰撞，发作少量新的粒子，可以用探测器看到。经由重构每一个粒子的能量、动量和其他实质，我们可以猜度发生碰撞的粒子及其出产物。自Wess与Zumino初次提出超对称性以来已经快50年了，然则尚无观测上任何超对称粒子。（本源：FERMILAB）

 

　　偶尔候，理论物理学会发生高深的设法主意。假如某个设法一举筹画了一系列疑难问题、同时给出新的可以测验的预测，就不一定会引起极大的兴趣。它不单供给了荫蔽的进步之路，还能吸引人们的想象力。如果它的预测获取证实，即可以关闭对宇宙的全新熟谙。

 

　　当物理学家遇到超对称性（supersymmetry， SUSY）的时分，状况正好如此。不有人知道，在规范模型里，基本粒子的品质为甚么比普朗克品质小得多？基本常数为什么不匹敌？暗物质多是甚么？超对称性实际对每一个标题问题都给出了谜底，还预言了得多的新粒子。大型强子对撞机（LHC）的第二轮试验已经竣事了，可是并无发现那些粒子。用超对称性筹划这些题目的胡想曾经破灭，物理学家必需面对这个现实。

 

 尺度模型的夸克和轻子的品格。在尺度模子里，最重的粒子是顶夸克；最轻的是电子（不算中微子），其风致是511 keV/c2。中微子比电子最多要轻400万倍：这比其他粒子之间的差别大得多。在能量尺度的另外一端，普朗克能量（1019 GeV）大得令人不安。咱们不知道有甚么粒子比顶夸克还重。（本源：HITOSHI MURAYAMA OF HTTP://HITOSHI.BERKELEY.EDU/） 尺度模型的夸克与轻子的风致。在规范模子里，最重的粒子是顶夸克；最轻的是电子（不算中微子），其品质是511 keV/c2。中微子比电子至多要轻400万倍：这比其他粒子之间的差别大得多。在能量尺度的另外一端，普朗克能量（1019 GeV）大得使人不安。我们不晓得有甚么粒子比顶夸克还重。（根源：HITOSHI MURAYAMA OF HTTP://HITOSHI.BERKELEY.EDU/）

　　超对称性的动机可以追溯到量子力学的早期和电子的题目。电子是个标题，因为它没有大小——它是一个点粒子，但确实有电荷。只要有电荷，就会孕育发生电场与电势。由于它本身有电荷，所以就能觉得到本身发生发火的电势：电子具备的本身就导致了固有的能量。电子越小，其内部能量就越大。这意味着，如果电子真的是点粒子，其能量就注定是无量大。

 

　　当然，事实并非如此。电子的固有能量是有限的，由它的固定风致与驰名的爱因斯坦方程E=mc2决意。

 

量子场论总计获取的量子真地面的伪造粒子（详细地说，针对的是强相互感召）。即便左近无所不有，这类真空能量也不等于零。粒子-反粒子对可以猛然出现或失踪，与电子这样的真实粒子相互感召，从而修改电子颇为必要的自能。（源头：DEREK LEINWEBER）量子场论较量争论取得的量子真天空的编造粒子（具体地说，针对的是强相互浸染）。即使四周一无全数，这种真空能量也不等于零。粒子-反粒子对可以突然呈现或失踪，与电子这样的真实粒子相互作用，从而批改电子很是需求的自能。（泉源：DEREK LEINWEBER）

　　根据电磁学定律，假设电子的大小使得它的电能量等于它的品质，即可以获得电子的直径约为5×10-15米，比质子还要大。显然，这是不合错误的！

 

　　打算的方式是存在反物质、特别是正电子（也等于反电子）。在量子物理学里，真空不空——真空不是赤贫如洗、空无一物，而是由许多虚粒子组成，它们一直地展示、破灭，其中就包孕电子-正电子对。

 

　　电子不单能发生发火光子并使之与本人发生相互浸染，还能与电子-正电子对涨落中发生发火的正电子一起湮灭，只留下“涨落”中发生的电子。合计注释，这两种孝敬几乎抵消，使得电子的尺寸很是小，尽管它的电荷比照大。

 

在尺度模型以外，当然还会有新的物理。然而，除非能量远远跨越大型对撞机所能抵达的水平，新物理也许其实不会呈现。无论这种料想能否粗略，我们只能尝尝看。与任何其他工具相比，未来的对撞机可以更好地研究已知粒子的本质。到今朝为止，LHC揭示的任何事故都不有超过跨过标准模型的已知粒子。（根源：UNIVERSE-REVIEW.CA）在标准模型之外，当然还会有新的物理。然则，除非能量远远超越大型对撞机所能抵达的程度，新物理也许并不会涌现。无论这类预想可否精确，我们只能尝尝看。与任何其他工具相比，未来的对撞机可以更好地研讨已知粒子的性子。到今朝为止，LHC暗示的任何事宜都不有赶过规范模子的已知粒子。（根源：UNIVERSE-REVIEW.CA）

　　“好吧，好吧，”你说，“这是量子宇宙的伟大得胜。但这和超对称性有甚么关系呢？”

 

　　要点在于，这类量子抵消之所以发生，就是由于实际中有一种对称性（精神和反物质之间的对称性）关心了电子的实质，使它具有特定的风致、大小与电荷性子。

 

　　超对称性的要点在于，可能具备一种分外的对称性（费米子和玻色子之间的对称性），类似地关切着精神的素质，何况使得粒子品格远小于普朗克尺度。粒子的风致不是或许1019 GeV/c2，而是比它小17个数量级——只要尺度模型里的每一个粒子都有一个对应的超对称伴侣。

 

标准模子的粒子及其超对称冤家。这些粒子曾经发现了不到一半，另外的一半多些却不见痕迹。超对称性的设法希望改进标准模型，然而在试图增补支流实践的时候，还没有对宇宙做出成功的预言。（来历：CLAIRE DAVID / CERN）标准模型的粒子及其超对称伴侣。这些粒子已经发现了不到一半，另外的一半多些却不见踪迹。超对称性的设法企望改善尺度模子，然而在试图增补支流现实的时辰，尚未对宇宙做出成功的预言。（起原：CLAIRE DAVID / CERN）

　　你必需将已知的基本粒子数量翻一番，为每一个已知的标准模子粒子构建一个超对称伴侣（尺度模子里的每一个玻色子都要有一个超对称费米子，每一个费米子有一个超对称玻色子）。但是在实际上，这种对称性可以将这些粒子的质量消沉到咱们观察到的数值。

 

　　假设这些新的超对称粒子或者至关于电弱力的能量尺度（可以或许100GeV到几个TeV），它们也能够：

 

　　1、在LHC到达的能量领域里孕育发生与丈量；

 

　　2、使得三种量子力（电磁力、弱力与强核力）的耦合常数在理论的大抗衡尺度上近似匹敌；

 

　　3、打造生一个中性的、动摇的超对称粒子——它是宇宙中暗物质的最好候选者。

 

耦合常数作为能量的函数（采用双对数坐标），它们看起来并无汇合在一起（左图）。假设依据预测的那样把超对称粒子加出来，耦合常数在~1015GeV（即通常的大对立尺度上）相遇，或者靠得更近。[来源：CERN （EUROPEAN ORGANIZATION FOR NUCLEAR RESEARCH）， 2001]耦合常数作为能量的函数（采纳双对数坐标），它们看起来并没有汇合在一起（左图）。若是遵照预测的那样把超对称粒子加进去，耦合常数在~1015GeV（即一样平常的大统一尺度上）相遇，或者靠得更近。[来源：CERN （EUROPEAN ORGANIZATION FOR NUCLEAR RESEARCH）， 2001]

　　人造界里有几个基本常数：万有引力常数（G），普朗克常数（h 或 ?，即 h/2π），光速（c）。这些常数的差距组合可以得到岁月、长度和风致的值——这些等于普朗克单位。假如用第一性原理来预测尺度模子中粒子的品质，它们就理当是普朗克风致的量级，或是是1028 eV/c2。但问题是，这个品格比宇宙中观察到的最重粒子的品质大了17个数量级，也即是100，000，000，000，000，000倍。

 

　　特别是希格斯玻色子，它理当有普朗克品格，全数其他粒子也应当如斯——因为希格斯场与其他粒子耦合、给它们以品质。我们观测到的质量仅仅是125 GeV/c2，阐明该当有其他一些器械起感化。

 

几年前，CMS竞争工程和ATLAS协作项目公布了希格斯玻色子的第一个靠得住的5-sigma检测。因为其风致固有的不确定性，希格斯玻色子在数据中不是一个“尖峰”，而是一个宽宽的鼓包。它的品质是125GeV/c2，而不是更合理的预测值~1019GeV/c2——这是物理学的一个不解之谜。[来源：THE CMS COLLABORATION，“OBSERVATION OF THE DIPHOTON DECAY OF THE HIGGS BOSON AND MEASUREMENT OF ITS PROPERTIES”， （2014）]几年前，CMS协作工程与ATLAS协作工程颁布了希格斯玻色子的第一个可靠的5-sigma检测。由于其品格固有的不确定性，希格斯玻色子在数据中不是一个“尖峰”，而是一个宽宽的鼓包。它的品格是125GeV/c2，而不是更合理的预测值~1019GeV/c2——这是物理学的一个不解之谜。[来源：THE CMS COLLABORATION，“OBSERVATION OF THE DIPHOTON DECAY OF THE HIGGS BOSON AND MEASUREMENT OF ITS PROPERTIES”， （2014）]

　　从实际上讲，超对称性是操持这个难题的一种可能方法；实际上，任何已知的其他规划方案凡是不行行的。然而，独一可能的治理方案并不虞味着就一定是正确的。事实上，对于物理学来讲，超对称性的每一种预测都很有标题问题。

 

　　1、假设超对称性是品级标题问题的筹算方案，那末LHC就绝对可以抵达最轻的超伴侣粒子的能量。到今朝为止，LHC尚无发现任何器械，这就足以倾覆全体的超对称性模子——但它们正本即是为打点这个标题而设计的。

 

　　2、强力不克不及与其他力抗衡。到当前为止，在我们的宇宙中还没有同一的证据，因为质子衰变实验不有失去预期的结果。开首的动机在这里也站不住脚：若是你把三条曲线放在双对数坐标系，并在空虚大的能量处缩小，它们看起来老是像一个三角形，而不有集中在单个点。

 

　　3、要是暗精力真的由最轻的超对称粒子组成，那末相应的观测执行早就应该检测到了（例如CDMS、 XENON与Edelweiss，等等）。另外，超对称性暗物质理应以一种极为非凡的方式湮灭，然而也向来不有观测到。

 

履行结果峻厉地限制了WIMP暗精力的范围。在最下方曲线以上的悉数WIMP（相互感导幽微的有品格的粒子）截面和暗物资品格都被排撤除了。这意味着，超对称性暗物质的绝大少数模子是不行行的。（起原：XENON-100 COLLABORATION （2012）， VIA HTTP://ARXIV.ORG/ABS/1207.5988）实行结果峻厉地限定了WIMP暗物资的局限。在最下方曲线以上的全部WIMP（相互感召亏弱的有品格的粒子）截面和暗物质风致都被排撤消了。这象征着，超对称性暗精神的绝大多半模子是弗成行的。（来历：XENON-100 COLLABORATION （2012）， VIA HTTP://ARXIV.ORG/ABS/1207.5988）

　　对于这个想法来说，对撞机对其自身的限度是特别要命的。要想用超对称性意图品质为甚么这么小的问题，你至少需要发生一个超对称粒子，其风致与规范模型最重的粒子具有类似的数量级。

 

　　这是设计和修筑LHC发展观测的首要特征之一。那处根蒂就没有这些粒子，因此暴烈地制约了它们的品质，实践学家再也不能只用超对称性来筹算品级标题了。相反，必须有一些额外的机制（譬如，劈裂的超对称性方案）来解释粒子的质量为何这么小，而超对称伴侣的品格却那末大。换句话说，这个实际美丽、卑鄙况且有说服力，然则它的开头念头现在已经不再是干流了。它的预期指数并不有实现。

 

在LHC第一轮履行的早期，ATLAS竞争工程在2000 GeV处看到了一种新粒子的“鼓包”（双玻色子，diboson），许多人巴望这是一种新粒子的证据。倒霉的是，跟着更少数据的积聚，人们发现这仅仅是一种统计杂音。从那之后，还不有发现新粒子的可靠特色。在LHC第一轮执行的早期，ATLAS竞争项目在2000 GeV处看到了一种新粒子的“鼓包”（双玻色子，diboson），许多人巴望这是一种新粒子的证据。倒楣的是，跟着更多半据的累积，人们发现这仅仅是一种统计噪音。从那之后，还不有发现新粒子的可靠特色。

　　症结是要知道超对称性事实是什么，由于这个设法主意在实际上很有压倒力。它陋俗而有力地设计了其竞争对手治理不了的标题问题。它发现了新的可以考试的预言，而这些测试大部份都已经完成了。倒楣的是，迄今为止的答案是，尽管超对称性可能很幽默，然而它描述的并不是咱们的宇宙。

 

　　与以往异样，持续的履行将是大自然的最终裁判，但不有一个感性的人能够以为有证据支持超对称性。假如超对称性是错误的，很多人的整个职业糊口生涯就进了死胡同——有史以来最诙谐的一个死胡同。要是在职何能量尺度上，大人造都不存在超对称性（包罗普朗克尺度，尽管这很是难以考试），那么弦现实（它导致了超对称性）就无奈描述咱们的宇宙。

 

差异星系团的X射线图（粉红色）和总精神图（蓝色）注解，正常精力与引力效应之间有显然的拆散，这是暗精神的一些最有力的证据。尽管超对称性为暗物资供给了一种可能的解释，但它很难是仅有的理论。许多人渴想它是贪图的方法，然而并不有检测到它预言的粒子，这就造成为了强无力的攻讦。分歧星系团的X射线图（粉红色）与总精神图（蓝色）表述，正常物质与引力效应之间有显著的松散，这是暗物质的一些最有力的证据。尽管超对称性为暗精神提供了一种可能的解释，但它很难是独一的理论。许多人巴望它是筹算的方式，可是并无检测到它预言的粒子，这就组成为了强有力的指摘。

　　关于超对称性，科学家分为两个尤为分歧的阵营。一方面，有一大群人（既有实践学家有了执行学家）用证听语言，追求这些谜团的其他解释，负义务地愈加严格地制约其可行的畛域。在近两代人里，这个实践在一个物理分支领域里据有着主导地位，排除它也将是科学的巨猛进步。

 

　　但另外一方面，有许多强无力的人（首要是现实学家）将永远信赖超对称性，特别是电弱尺度下的超对称性，而不管证据是甚么。然而，对于LHC碰撞的每一个新的质子，咱们一次又一次地获取相斥的谜底：没有超对称性。无论我们是多么常常地自欺欺人，也不论有几多科学家被打趣，大天然是确凿性的最终裁判，实行不会撒谎。到克日为止，还不有任何实考据据支持超对称性。

 

　　《返朴》，致力好科普。外洋闻名物理学家文小刚与生物学家颜宁联袂子细总编，与几十位学者组成的编委会一起，与你一同求索。关注《返朴》（微旌旗灯号：fanpu2019）插足更多寻找。