超对称已死?

这个宏伟的计划是弦理论的垫脚石,仍然高居物理学家们的愿望清单榜首。但如果近期没有确凿的证据浮出水面,它可能会开始面临严重的公关问题

几十年来,物理学家们一直在思考一个由基本粒子组成的整个影子世界的想法,称为超对称。它将优雅地解决当前粒子物理学标准模型留下的一些谜团,例如宇宙暗物质是什么。现在有些人开始怀疑。历史上最强大的对撞机,大型强子对撞机(LHC),尚未观察到任何新的现象,可以揭示一个看不见的现实层面。尽管搜索才刚刚开始,但这已经让一些理论家开始思考,如果超对称不是真的,物理学可能会是什么样子。

意大利国家核物理研究所(位于帕维亚)的 Giacomo Polesello 说:“无论我们看向哪里,我们都一无所获——也就是说,我们没有看到任何与标准模型的偏差。” Polesello 是由 3000 人组成的国际合作组织的主要成员,该组织建造并运行了 ATLAS,它是 LHC 环上的两个大教堂尺寸的通用探测器之一。根据三月份在意大利阿尔卑斯山举行的一次会议上发布的最新消息,另一个这样的探测器 CMS 也没有看到任何东西。

理论家们在 20 世纪 60 年代引入了超对称,以连接自然界中看到的两种基本粒子类型,称为费米子和玻色子。粗略地说,费米子是物质的组成部分(电子是典型的例子),而玻色子是基本力的载体(电磁学中的光子)。超对称将赋予每个已知的玻色子一个重“超伙伴”,这是一个费米子,并赋予每个已知的费米子一个重伙伴,这是一个玻色子。“这是朝着最终世界观迈出的下一步,在那里我们将一切变得对称而美丽,”SLAC 国家加速器实验室的理论家 Michael Peskin 说。


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位于日内瓦附近的 CERN 的这座巨大的对撞机应该有足够的力量来产生这些超粒子。目前,LHC 正在以每个质子四万亿电子伏特(TeV)的能量粉碎质子,高于去年的 3.5 TeV。这种能量分布在构成质子的夸克和胶子之间,因此碰撞可以产生质量相当于约 1 TeV 的新粒子。但是,尽管有很高的期望(和能量),但到目前为止,大自然并没有合作。LHC 物理学家一直在寻找科学界的新粒子迹象,但一无所获。如果超粒子存在,它们一定比许多物理学家所希望的还要重。“坦率地说,”Polesello 说,“情况是我们已经排除了许多‘容易’的模型,这些模型应该立即出现。”劳伦斯伯克利国家实验室的同事 Ian Hinchliffe 也赞同他的观点:“如果你看看已经被排除的质量和粒子范围,那是非常令人印象深刻的。”

许多人仍然抱有希望。“仍然有很多可行的方法来构建超对称模型,”Peskin 说。CMS 团队的理论家 Joseph Lykken 说,期望在仅仅一年的数据采集后就看到新的物理学是不现实的。

然而,让理论家们感到紧张的是,为了让超对称解决最初发明它的问题,至少一些超粒子不应该太重。例如,为了构成暗物质,它们需要不超过十分之几 TeV 的重量。

大多数物理学家希望一些超粒子是轻的另一个原因是希格斯玻色子,它是 LHC 的另一个主要目标。所有具有质量的基本粒子都应该通过它们与这个玻色子的相互作用以及其次与短暂的“虚粒子”的光环来获得质量。在大多数情况下,标准模型的对称性确保这些虚粒子相互抵消,因此它们对质量的贡献很小。具有讽刺意味的是,例外是希格斯本身。基于标准模型的计算得出了一个自相矛盾的结果,即玻色子的质量应该是无限的。超伙伴将通过提供更大的抵消范围来解决这个谜团。初步结果在 2011 年 12 月宣布,希格斯质量约为 0.125 TeV,这将在超对称预测它应该在的范围内。但在这种情况下,超粒子需要具有相当低的质量。

如果事实证明并非如此,一种解释是,伦敦大学学院的 Bryan Lynn 去年提出的,标准模型迄今为止被低估的对称性使希格斯质量保持有限。其他人说 Lynn 的想法充其量只能提供部分解释,为超越标准模型的物理学留下至关重要的作用——如果不是超对称,那就是理论家们设计的其他策略之一。一个流行的 B 计划是,希格斯玻色子不是基本粒子,而是其他粒子的复合粒子,就像质子是夸克的复合粒子一样。不幸的是,CERN 的 Christophe Grojean 说,LHC 根本没有足够的数据来说明这个想法。更奇特的选择,例如超出通常三个的空间额外维度,可能永远超出 LHC 的范围。“现在,”CERN 的另一位理论家 Gian Francesco Giudice 指出,“每个理论都有自己的问题。”

随着 ATLAS 和 CMS 继续积累数据,他们要么发现超粒子,要么排除更广泛的可能质量范围。尽管他们可能永远无法严格地证伪超对称,但如果对撞机未能找到它,该理论的用途可能会逐渐消失,甚至其最铁杆的支持者也可能会失去兴趣。这将不仅是对超对称的打击,也是对更雄心勃勃的统一物理学理论的打击,这些理论假定超对称,其中包括弦理论和其他方法[参见 Zvi Bern、Lance J. Dixon 和 David A. Kosower 的“寻找新物理学:圈、树和搜索”]。LHC 物理学家对此种不确定性处之泰然,并期望对撞机能够找到一些新的和令人兴奋的物理学——不仅仅是理论家们所期望的物理学。Hinchliffe 说:“我们将会看到的最有趣的事情是没人想到的事情。”

本文最初以“超对称已死?”为标题印刷出版。

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