为什么超对称可能是粒子物理学史上最失败的预言?

超对称是基本粒子理论中一个可能存在的数学结构,这一结构非常神奇。理论物理学家用它得出了一个比一个漂亮的结果。但这么漂亮的数学结构,是不是真的描写了我们这个宇宙的基本粒子?我们这个宇宙的基本粒子理论是不是真的是最漂亮的?目前的实验给出的答案是:否。我们也许需要更高能的实验才能发现超对称。也可能,超对称根本不存在。

撰文 |Ethan Siegel

翻译 |姬扬

高能粒子彼此碰撞,产生大量新的粒子,可以用探测器看到。通过重构每个粒子的能量、动量和其他性质,我们可以推断发生碰撞的粒子及其产物。自Wess和Zumino首次提出超对称性以来已经快50年了,但是还没有观测到任何超对称粒子。(来源:FERMILAB)

有时候,理论物理学会产生深奥的想法。如果某个想法一举解决了一系列疑难问题、同时给出新的可以检验的预测,就一定会引起极大的兴趣。它不仅提供了潜在的前进之路,还能吸引人们的想象力。如果它的预测得到证实,就可以开启对宇宙的全新认识。

当物理学家遇到超对称性(supersymmetry, SUSY)的时候,情况恰恰如此。没有人知道,在标准模型里,基本粒子的质量为什么比普朗克质量小得多?基本常数为什么不统一?暗物质可能是什么?超对称性理论对每一个问题都给出了答案,还预言了很多的新粒子。大型强子对撞机(LHC)的第二轮实验已经结束了,但是并没有发现那些粒子。用超对称性解决这些问题的梦想已经破灭,物理学家必须面对这个现实

标准模型的夸克和轻子的质量。在标准模型里,最重的粒子是顶夸克;最轻的是电子(不算中微子),其质量是511 keV/c2。中微子比电子至少要轻400万倍:这比其他粒子之间的差别大得多。在能量尺度的另一端,普朗克能量(1019GeV)大得令人不安。我们不知道有什么粒子比顶夸克还重。(来源: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问题。电子是个问题,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,就会产生电场和电势。因为它本身有电荷,所以就能感受到自己产生的电势:电子存在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,其能量就必定是无限大。

当然,事实并非如此。电子的固有能量是有限的,由它的静止质量和著名的爱因斯坦方程E=mc2决定。

量子场论计算得到的量子真空中的虚拟粒子(具体地说,针对的是强相互作用)。即使周围一无所有,这种真空能量也不等于零。粒子-反粒子对可以突然出现或消失,与电子这样的真实粒子相互作用,从而修正电子非常重要的自能。(来源:DEREK LEINWEBER)

根据电磁学定律,如果电子的大小使得它的电能量等于它的质量,就可以得到电子的直径约为5×10-15米,比质子还要大。显然,这是不对的!

解决的办法是存在反物质、特别是正电子(也就是反电子)。在量子物理学里,真空不空——真空不是一无所有、空无一物,而是由许多虚粒子组成,它们不停地闪现、幻灭,其中就包括电子-正电子对。

电子不仅能产生光子并使之与自己发生相互作用,还能与电子-正电子对涨落中产生的正电子一起湮灭,只留下“涨落”中产生的电子。计算表明,这两种贡献几乎抵消,使得电子的尺寸非常小,尽管它的电荷比较大。

在标准模型以外,当然还会有新的物理。但是,除非能量远远超过大型对撞机所能达到的水平,新物理也许并不会出现。无论这种猜测是否正确,我们只能试试看。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性质。到目前为止,LHC揭示的任何事情都没有超出标准模型的已知粒子。(来源:UNIVERSE-REVIEW.CA)

“好吧,好吧,”你说,“这是量子宇宙的伟大胜利。但这和超对称性有什么关系呢?”

要点在于,这种量子抵消之所以发生,就是因为理论中有一种对称性(物质和反物质之间的对称性)保护了电子的性质,使它具有特定的质量、大小和电荷性质。

超对称性的要点在于,可能存在一种额外的对称性(费米子和玻色子之间的对称性),类似地保护着物质的性质,而且使得粒子质量远小于普朗克尺度。粒子的质量不是大约1019GeV/c2,而是比它小17个数量级——只要标准模型里的每个粒子都有一个对应的超对称伴侣。

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。超对称性的想法希望改进标准模型,但是在试图补充主流理论的时候,还没有对宇宙做出成功的预言。(来源:CLAIRE DAVID / CERN)

你必须将已知的基本粒子数量翻一番,为每个已知的标准模型粒子创建一个超对称伴侣(标准模型里的每个玻色子都要有一个超对称费米子,每个费米子有一个超对称玻色子)。但是在理论上,这种对称性可以将这些粒子的质量降低到我们观察到的数值。

如果这些新的超对称粒子大约相当于电弱力的能量尺度(大约100GeV到几个TeV),它们也可以:

1、在LHC达到的能量范围里产生和测量;

2、使得三种量子力(电磁力、弱力和强核力)的耦合常数在理论的大统一尺度上近似统一;

3、产生一个中性的、稳定的超对称粒子——它是宇宙中暗物质的最佳候选者。

耦合常数作为能量的函数(采用双对数坐标),它们看起来并没有汇合在一起(左图)。如果按照预测的那样把超对称粒子加进去,耦合常数在~1015GeV(即通常的大统一尺度上)相遇,或者靠得更近。[来源:CERN (EUROPEAN ORGANIZATION FOR NUCLEAR RESEARCH), 2001]

自然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)。这些常数的不同组合可以得到时间、长度和质量的值——这些就是普朗克单位。如果用第一性原理来预测标准模型中粒子的质量,它们就应该是普朗克质量的量级,大约是1028eV/c2。但问题是,这个质量比宇宙中观察到的最重粒子的质量大了17个数量级,也就是100,000,000,000,000,000倍。

特别是希格斯玻色子,它应该有普朗克质量,所有其他粒子也应该如此——因为希格斯场与其他粒子耦合、给它们以质量。我们观测到的质量仅仅是125 GeV/c2,说明应该有其他一些东西起作用。

几年前,CMS合作项目和ATLAS合作项目宣布了希格斯玻色子的第一个可靠的5-sigma检测。因为其质量固有的不确定性,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。它的质量是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)]

从理论上讲,超对称性是解决这个难题的一种可能方法;实际上,任何已知的其他解决方案都是不可行的。然而,唯一可能的解决方案并不意味着就一定是正确的。事实上,对于物理学来说,超对称性的每一种预测都很有问题。

1、如果超对称性是等级问题的解决方案,那么LHC就绝对可以达到最轻的超伴侣粒子的能量。到目前为止,LHC还没有发现任何东西,这就足以推翻所有的超对称性模型——但它们本来就是为解决这个问题而设计的。

2、强力不能与其他力统一。到目前为止,在我们的宇宙中还没有统一的证据,因为质子衰变实验没有得到预期的结果。最初的动机在这里也站不住脚:如果你把三条曲线放在双对数坐标系,并在足够大的能量处放大,它们看起来总是像一个三角形,而没有汇合在单个点。

3、如果暗物质真的由最轻的超对称粒子构成,那么相应的观测实验早就应该检测到了(例如CDMS、 XENON和Edelweiss,等等)。此外,超对称性暗物质应该以一种非常特殊的方式湮灭,但是也从来没有观测到。

实验结果严格地限制了WIMP暗物质的范围。在最下方曲线以上的所有WIMP(相互作用微弱的有质量的粒子)截面和暗物质质量都被排除掉了。这意味着,超对称性暗物质的绝大多数模型是不可行的。(来源: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制是特别要命的。要想用超对称性解决质量为什么这么小的问题,你至少需要产生一个超对称粒子,其质量与标准模型最重的粒子具有相同的数量级。

这是设计和建造LHC进行观测的主要特征之一。那里根本就没有这些粒子,因而强烈地限制了它们的质量,理论学家再也不能只用超对称性来解决等级问题了。相反,必须有一些额外的机制(例如,劈裂的超对称性方案)来解释粒子的质量为什么这么小,而超对称伴侣的质量却那么大。换句话说,这个理论美丽、优雅而且有说服力,但是它的最初动机现在已经不再是主流了。它的预期目标并没有实现。

在LHC第一轮实验的早期,ATLAS合作项目在2000 GeV处看到了一种新粒子的“鼓包”(双玻色子,diboson),许多人希望这是一种新粒子的证据。不幸的是,随着更多数据的积累,人们发现这仅仅是一种统计噪音。从那以后,还没有发现新粒子的可靠特征。

[ATLAS 合作项目(左图), 来源:HTTP://ARXIV.ORG/ABS/1506.00962 ;

CMS合作项目(右图), 来源:HTTP://ARXIV.ORG/ABS/1405.3447]

关键是要知道超对称性究竟是什么,因为这个想法在理论上很有说服力。它优雅而有力地解决了其竞争对手解决不了的问题。它创造了新的可以检验的预言,而这些测试大部分都已经完成了。不幸的是,迄今为止的答案是,尽管超对称性可能很有趣,但是它描述的并不是我们的宇宙。

和以往一样,持续的实验将是大自然的最终裁判,但没有一个理性的人能够认为有证据支持超对称性。如果超对称性是错误的,很多人的整个职业生涯就进了死胡同——有史以来最有趣的一个死胡同。如果在任何能量尺度上,大自然都不存在超对称性(包括普朗克尺度,虽然这非常难以检验),那么弦理论(它导致了超对称性)就无法描述我们的宇宙。

不同星系团的X射线图(粉红色)和总物质图(蓝色)表明,正常物质和引力效应之间有明显的分离,这是暗物质的一些最有力的证据。尽管超对称性为暗物质提供了一种可能的解释,但它很难是唯一的理论。许多人希望它是解决的办法,但是并没有检测到它预言的粒子,这就构成了强有力的反驳。[来源:

X-RAY: NASA/CXC/ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE, SWITZERLAND/D.HARVEY NASA/CXC/DURHAM UNIV/R.MASSEY; OPTICAL/LENSING MAP: NASA, ESA, D. HARVEY (ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE, SWITZERLAND) AND R. MASSEY (DURHAM UNIVERSITY, UK)]

关于超对称性,科学家分为两个非常不同的阵营。一方面,有一大群人(既有理论学家也有实验学家)用证据说话,寻求这些谜团的其他解释,负责任地更加严格地限制其可行的范围。在近两代人里,这个理论在一个物理分支领域里占据着主导地位,排除它也将是科学的巨大进步。

但另一方面,有很多强有力的人(主要是理论学家)将永远相信超对称性,特别是电弱尺度下的超对称性,而不管证据是什么。然而,对于LHC碰撞的每一个新的质子,我们一次又一次地得到相同的答案:没有超对称性。不管我们是多么经常地自欺欺人,也不管有多少科学家被愚弄,大自然是实在性的最终裁判,实验不会说谎。到今天为止,还没有任何实验证据支持超对称性

原文链接:https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/02/12/why-supersymmetry-may-be-the-greatest-failed-prediction-in-particle-physics-history/?from=groupmessage#7a7fcc1e69e6

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