[新聞]超對稱可能是粒子物理學史上最失敗預言

看板Physics作者bulls0722 (asdf)時間5年前 (2019/05/01 09:46)推噓2(3推 1噓 20→)

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https://iview.sina.com.tw/post/19223078 撰文 | Ethan Siegel 超對稱是基本粒子理論中一個可能存在的數學結構，這一結構非常神奇。理論物理學家用它得出了一個比一個漂亮的結果。但這麼漂亮的數學結構，是不是真的描寫了我們這個宇宙的基本粒子？我們這個宇宙的基本粒子理論是不是真的是最漂亮的？目前的實驗給出的答案是：否。我們也許需要更高能的實驗才能發現超對稱。也可能，超對稱根本不存在。高能粒子彼此碰撞，產生大量新的粒子，可以用探測器看到。通過重構每個粒子的能量、動量和其他性質，我們可以推斷髮生碰撞的粒子及其產物。自Wess和Zumino首次提出超對稱性以來已經快50年了，但是還沒有觀測到任何超對稱粒子。　　有時候，理論物理學會產生深奧的想法。如果某個想法一舉解決了一系列疑難問題、同時給出新的可以檢驗的預測，就一定會引起極大的興趣。它不僅提供了潛在的前進之路，還能吸引人們的想像力。如果它的預測得到證實，就可以開啟對宇宙的全新認識。　　當物理學家遇到超對稱性（supersymmetry， SUSY）的時候，情況恰恰如此。沒有人知道，在標準模型里，基本粒子的質量為什麼比普朗克質量小得多？基本常數為什麼不統一？暗物質可能是什麼？超對稱性理論對每一個問題都給出了答案，還預言了很多的新粒子。大型強子對撞機（LHC）的第二輪實驗已經結束了，但是並沒有發現那些粒子。用超對稱性解決這些問題的夢想已經破滅，物理學家必須面對這個現實。 https://s1.sina.tw/photo_storage/content/Post/19223078/2.jpg

標準模型的夸克和輕子的質量在標準模型里，最重的粒子是頂夸克；最輕的是電子（不算中微子），其質量是511 keV/c2。中微子比電子至少要輕400萬倍：這比其他粒子之間的差別大得多。在能量尺度的另一端，普朗克能量（1019 GeV）大得令人不安。我們不知道有什麼粒子比頂夸克還重。　　超對稱性的動機可以追溯到量子力學的早期和電子的問題。電子是個問題，因為它沒有大小—它是一個點粒子，但確實有電荷。只要有電荷，就會產生電場和電勢。因為它本身有電荷，所以就能感受到自己產生的電勢：電子存在的本身就導致了固有的能量。電子越小，其內部能量就越大。這意味著，如果電子真的是點粒子，其能量就必定是無限大。　　當然，事實並非如此。電子的固有能量是有限的，由它的靜止質量和著名的愛因斯坦方程E=mc2決定。 https://s2.sina.tw/photo_storage/content/Post/19223078/3.gif

量子場論計算得到的量子真空中的虛擬粒子（具體地說，針對的是強相互作用）即使周圍一無所有，這種真空能量也不等於零。粒子-反粒子對可以突然出現或消失，與電子這樣的真實粒子相互作用，從而修正電子非常重要的自能。　　根據電磁學定律，如果電子的大小使得它的電能量等於它的質量，就可以得到電子的直徑約為5×10-15米，比質子還要大。顯然，這是不對的！　　解決的辦法是存在反物質、特別是正電子（也就是反電子）。在量子物理學里，真空不空——真空不是一無所有、空無一物，而是由許多虛粒子組成，它們不停地閃現、幻滅，其中就包括電子-正電子對。　　電子不僅能產生光子並使之與自己發生相互作用，還能與電子-正電子對漲落中產生的正電子一起湮滅，只留下「漲落」中產生的電子。計算表明，這兩種貢獻幾乎抵消，使得電子的尺寸非常小，儘管它的電荷比較大。在標準模型以外，當然還會有新的物理。但是，除非能量遠遠超過大型對撞機所能達到的水平，新物理也許並不會出現。無論這種猜測是否正確，我們只能試試看。與任何其他工具相比，未來的對撞機可以更好地研究已知粒子的性質。到目前為止，LHC揭示的任何事情都沒有超出標準模型的已知粒子。　　「好吧，好吧」你說「這是量子宇宙的偉大勝利。但這和超對稱性有什麼關係呢？」　　要點在於，這種量子抵消之所以發生，就是因為理論中有一種對稱性（物質和反物質之間的對稱性）保護了電子的性質，使它具有特定的質量、大小和電荷性質。　　超對稱性的要點在於，可能存在一種額外的對稱性（費米子和玻色子之間的對稱性），類似地保護著物質的性質，而且使得粒子質量遠小於普朗克尺度。粒子的質量不是大約 1019 GeV/c2，而是比它小17個數量級——只要標準模型里的每個粒子都有一個對應的超對稱伴侶。 https://s2.sina.tw/photo_storage/content/Post/19223078/5.jpg

標準模型的粒子及其超對稱伴侶。這些粒子已經發現了不到一半，另外的一半多些卻不見蹤跡。超對稱性的想法希望改進標準模型，但是在試圖補充主流理論的時候，還沒有對宇宙做出成功的預言。　　你必須將已知的基本粒子數量翻一番，為每個已知的標準模型粒子創建一個超對稱伴侶（標準模型里的每個玻色子都要有一個超對稱費米子，每個費米子有一個超對稱玻色子）。但是在理論上，這種對稱性可以將這些粒子的質量降低到我們觀察到的數值。　　如果這些新的超對稱粒子大約相當於電弱力的能量尺度（大約100GeV到幾個TeV），它們也可以：　　1、在LHC達到的能量範圍里產生和測量；　　2、使得三種量子力（電磁力、弱力和強核力）的耦合常數在理論的大統一尺度上近似統一；　　3、產生一個中性的、穩定的超對稱粒子——它是宇宙中暗物質的最佳候選者。 https://s1.sina.tw/photo_storage/content/Post/19223078/6.jpg

耦合常數作為能量的函數（採用雙對數坐標），它們看起來並沒有匯合在一起。如果按照預測的那樣把超對稱粒子加進去，耦合常數在~1015GeV（即通常的大統一尺度上）相遇，或者靠得更近。　　自然界里有幾個基本常數：萬有引力常數（G），普朗克常數（h 或 A即 h/2π），光速（c）。這些常數的不同組合可以得到時間、長度和質量的值——這些就是普朗克單位。如果用第一性原理來預測標準模型中粒子的質量，它們就應該是普朗克質量的量級，大約是1028 eV/c2。但問題是，這個質量比宇宙中觀察到的最重粒子的質量大了17個數量級，也就是100000000000000000倍。　　特別是希格斯玻色子，它應該有普朗克質量，所有其他粒子也應該如此——因為希格斯場與其他粒子耦合、給它們以質量。我們觀測到的質量僅僅是125 GeV/c2，說明應該有其他一些東西起作用。 https://s2.sina.tw/photo_storage/content/Post/19223078/7.jpg

幾年前，CMS合作項目和ATLAS合作項目宣布了希格斯玻色子的第一個可靠的5-sigma檢測。因為其質量固有的不確定性，希格斯玻色子在數據中不是一個「尖峰」，而是一個寬寬的鼓包。它的質量是125GeV/c2，而不是更合理的預測值~1019GeV/c2——這是物理學的一個不解之謎。　　從理論上講，超對稱性是解決這個難題的一種可能方法；實際上，任何已知的其他解決方案都是不可行的。然而，唯一可能的解決方案並不意味著就一定是正確的。事實上，對於物理學來說，超對稱性的每一種預測都很有問題。　　1、如果超對稱性是等級問題的解決方案，那麼LHC就絕對可以達到最輕的超伴侶粒子的能量。到目前為止，LHC還沒有發現任何東西，這就足以推翻所有的超對稱性模型—— 但它們本來就是為解決這個問題而設計的。　　2、強力不能與其他力統一。到目前為止，在我們的宇宙中還沒有統一的證據，因為質子衰變實驗沒有得到預期的結果。最初的動機在這裏也站不住腳：如果你把三條曲線放在雙對數坐標系，並在足夠大的能量處放大，它們看起來總是像一個三角形，而沒有匯合在單個點。　　3、如果暗物質真的由最輕的超對稱粒子構成，那麼相應的觀測實驗早就應該檢測到了（例如CDMS、 XENON和Edelweiss，等等）。此外，超對稱性暗物質應該以一種非常特殊的方式湮滅，但是也從來沒有觀測到。 https://s1.sina.tw/photo_storage/content/Post/19223078/8.jpg

實驗結果嚴格地限制了WIMP暗物質的範圍。在最下方曲線以上的所有WIMP（相互作用微弱的有質量的粒子）截面和暗物質質量都被排除掉了。這意味著，超對稱性暗物質的絕大多數模型是不可行的。　　對於這個想法來說，對撞機對其自身的限制是特別要命的。要想用超對稱性解決質量為什麼這麼小的問題，你至少需要產生一個超對稱粒子，其質量與標準模型最重的粒子具有相同的數量級。　　這是設計和建造LHC進行觀測的主要特徵之一。那裡根本就沒有這些粒子，因而強烈地限制了它們的質量，理論學家再也不能只用超對稱性來解決等級問題了。相反，必須有一些額外的機制（例如，劈裂的超對稱性方案）來解釋粒子的質量為什麼這麼小，而超對稱伴侶的質量卻那麼大。換句話說，這個理論美麗、優雅而且有說服力，但是它的最初動機現在已經不再是主流了。它的預期目標並沒有實現。 https://s2.sina.tw/photo_storage/content/Post/19223078/9.jpg

在LHC第一輪實驗的早期，ATLAS合作項目在2000 GeV處看到了一種新粒子的「鼓包」（雙玻色子，diboson），許多人希望這是一種新粒子的證據。不幸的是，隨著更多數據的積累，人們發現這僅僅是一種統計噪音。從那以後，還沒有發現新粒子的可靠特徵。　　關鍵是要知道超對稱性究竟是什麼，因為這個想法在理論上很有說服力。它優雅而有力地解決了其競爭對手解決不了的問題。它創造了新的可以檢驗的預言，而這些測試大部分都已經完成了。不幸的是，迄今為止的答案是，儘管超對稱性可能很有趣，但是它描述的並不是我們的宇宙。　　和以往一樣，持續的實驗將是大自然的最終裁判，但沒有一個理性的人能夠認為有證據支持超對稱性。如果超對稱性是錯誤的，很多人的整個職業生涯就進了死胡同——有史以來最有趣的一個死胡同。如果在任何能量尺度上，大自然都不存在超對稱性（包括普朗克尺度，雖然這非常難以檢驗），那麼弦理論（它導致了超對稱性）就無法描述我們的宇宙。 https://s1.sina.tw/photo_storage/content/Post/19223078/10.jpg

不同星系團的X射線圖（粉紅色）和總物質圖（藍色）表明，正常物質和引力效應之間有明顯的分離，這是暗物質的一些最有力的證據。儘管超對稱性為暗物質提供了一種可能的解釋，但它很難是唯一的理論。許多人希望它是解決的辦法，但是並沒有檢測到它預言的粒子，這就構成了強有力的反駁。　　關於超對稱性，科學家分為兩個非常不同的陣營。一方面，有一大群人（既有理論學家也有實驗學家）用證據說話，尋求這些謎團的其他解釋，負責任地更加嚴格地限制其可行的範圍。在近兩代人里，這個理論在一個物理分支領域里佔據著主導地位，排除它也將是科學的巨大進步。　　但另一方面，有很多強有力的人（主要是理論學家）將永遠相信超對稱性，特別是電弱尺度下的超對稱性，而不管證據是什麼。然而，對於LHC碰撞的每一個新的質子，我們一次又一次地得到相同的答案：沒有超對稱性。不管我們是多麼經常地自欺欺人，也不管有多少科學家被愚弄，大自然是實在性的最終裁判，實驗不會說謊。到今天為止，還沒有任何實驗證據支持超對稱性。 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 123.192.157.138 ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Physics/M.1556675172.A.553.html ※ 編輯: bulls0722 (123.192.157.138), 05/01/2019 10:15:02

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