超對稱性理論——將有助於回答宇宙中最本質的問題

2020-12-28 老胡說科學

歐洲核子研究中心的這個裝置利用光和水,從大型強子對撞機的一些主要實驗,包括阿特拉斯實驗,創建實時信息可視化。超對稱(SUSY)最早出現在弦理論中,是一個數學概念。

它之所以吸引我們,不僅因為它可以解決關於宇宙本質的許多問題,而且因為它是平衡和優雅的。它給我們的科學模型帶來對稱性,比如反物質的發現。超對稱可能開始解開引力、粒子、暗物質之謎,甚至成為大統一理論的墊腳石。簡而言之——它將引導我們對我們的宇宙作為一個整體有一個豐富的理解。

半個世紀前,超對稱第一次被應用到我們日常的四維世界(包括時間維度)。它將弦理論提升為超弦理論。但是超對稱性本身並不是一個理論,它是一個可以在許多不同的理論中使用的原理,可以產生不同的宇宙模型。有幾十種理論結合了超對稱性,但多年來實驗已經否定了其中的一些。

當費米子被納入弦理論時,「超對稱」誕生了。標準模型的粒子可以分為兩類。費米子是物質的粒子,比如電子,上夸克和上夸克。它們的自旋是半整數,如電子的自旋是1/2。另一類是攜帶被稱為玻色子的粒子的力。它們的自旋是整數,如光子自旋為1。超對稱是關於這兩個粒子類別之間的聯繫。在超對稱中,物質和力是一樣的。費米子和玻色子——宇宙中所有已知的粒子——將在它的背景下變得可互換。以前,這種交換被認為是不可能的。

這意味著對於我們觀察到的每一個粒子,都會有一個質量相同但自旋不同的兄弟粒子。然後,電子會有一個質量和電荷相等的超兄弟粒子,但是,自旋不是1/2,而是1。我們在現實世界中看到的是一個充當費米子的電子,然後我們尋找的是一個充當玻色子的電子。

標準模型。左邊是12個物質粒子(費米子),右邊是5個力粒子(玻色子),中間是希格斯玻色子。這似乎是對自然的簡單重新評價。我們的觀察揭示了科學和自然世界其他領域的深刻的對稱性,儘管這些對稱性可以——而且經常——被打破,但它們對於構建更大的圖景是至關重要的。我們希望,這些模式將引領我們走向非凡的未來。對於超對稱來說,這甚至給了我們一個關於暗物質之謎的嚴格的答案。

光子的超對稱對象是中微子。它是一個帶中性電荷的穩定粒子,只受重力影響,所以我們的探測基本上看不到它。這個想法是,在我們周圍有一群中性微子。它們形成於宇宙大爆炸後冷卻的時刻。計算結果表明,它們的數量將超過普通物質的原子數量,而我們預期居住在我們的宇宙中的中微子的數量與今天存在的暗物質的數量大致相當。

發現這些超對稱粒子的問題是——比如中微子——我們對它們質量的估計是錯誤的。如果它們確實存在,那麼它們的質量將比大型強子對撞機產生的還要大。發現難以捉摸的超對稱粒子的希望在於增加戲劇性。我們需要超新星爆炸或伽馬射線爆發的高能量,就像帶電的暴風雨之夜閃電的破裂,穿透太空的背景。這些事件所包含的能量是我們在大型強子對撞機所能達到的能量的數十億倍。它們很強大,但很罕見。目前,它們是我們證明超對稱性的唯一希望。

儘管大型強子對撞機已經一次又一次地試圖製造出超對稱粒子,但它大部分時間都處於閒置狀態,兩手空空。我們從來沒有看到這些超對稱存在的證據。去年5月,大型強子對撞機(LHC)在墨西哥宣布,他們對超對稱粒子進行了新的研究。阿特拉斯的實驗仔細研究了2015年至2018年的數據,但每次搜索,無論多麼詳細都缺乏新的粒子。

那麼,為什麼還要繼續堅持這個想法呢?除了美妙的數學,超對稱還有什麼?

一些科學家希望超級對稱粒子的證據隱藏在阿特拉斯探測器收集的數據中。否則,它們可能來自高能事件,如黑洞的磁場。在很多方面,測試超對稱性和測試弦理論是一樣的。雖然證明超對稱性並不能證明弦理論在整體上是正確的,但它是讓我們更接近萬物理論的一個基本特徵。許多物理學家認為,弦理論是我們所擁有的唯一有力的競爭者。放棄超對稱會讓我們陷入未知的海洋,沒有什麼東西可以抓住。

這告訴我們超對稱性可能是正確的。

三種量子力——電磁力、強核力和弱核力——具有非常不同的強度。然而在宇宙大爆炸的時候,這是不可能的。他們是統一的,平等的,在宇宙之初匯聚在一起。使用標準模型,我們得出這些強度相似但不相同的計算結果。只有當加入超對稱時,它們才完全相等。這只是標準模型不完整的一個方面。

為了了解我們所知道的是多麼的少,以標準模型的層次問題為例。這個問題可以用不同的方式來表述,但最終得到的都是不和諧的數字。三個量子力相結合的能量比弱力和電磁力相結合的能量大15個數量級。與其他三種力相比,重力非常弱。已知最重的夸克——頂夸克——比底夸克重40倍,比質子重175倍。這些數字上的差異是大量存在的。希格斯玻色子應該具有普朗克質量,但它的質量要比普朗克質量輕數十億倍。

超對稱粒子位於標準模型粒子的右側。對於費米子,在名字的開頭加上一個「s」就得到了sparticle對。對於玻色子,在最後加一個「-ino」。光子成為「光微子」。但為了解決所有這些問題,我們應該已經看到了超對稱粒子從類似LHC的實驗中噴湧而出。當我們繼續尋找超對稱的證據時,它似乎越來越不能為這些問題提供自然和輕鬆的答案。它的實驗缺失意味著超對稱不太可能製造出暗物質粒子,也不太可能解釋標準模型中的層次問題。但隨著時間的推移,科學家們對它的分歧越來越大。有些科學家已經放棄了對超對稱性理論的研究,他們認為我們必須開闢一條通往大統一理論的新道路,而有些人仍然認為這是一個有待發現的問題。

持續的支持者說,我們宇宙的對稱性必須被打破。畢竟,不對稱是讓我們存在的首要原因。如果在宇宙形成之初就存在大量的物質和反物質粒子,那麼我們就永遠不會形成。所以,也許我們存在於一個非典型的時空區域——這裡不存在超對稱性,不是因為它是不真實的,而是因為它已經分裂了,在我們日常生活的低能量中沒有表現出來。

沒有了超對稱性理論和弦理論,我們就不清楚我們將用什麼墊腳石來解釋宇宙。但我們可能不得不承認,在找到一條更好的道路之前,我們的迷失比我們希望的要多得多。

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    河北大學粒子物理團隊日前在超對稱唯象學研究方向取得了若干最新進展,相關論文在《高能物理期刊》和《歐洲物理期刊C》上發表。
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    後者是一位奧地利哲學家,他在2013年的《弦理論與科學方法》一書中提到了三類「非經驗的」證據,有助於在缺乏經驗數據的情況下,建立對某些科學理論的信心。Dawid目前在慕尼黑大學擔任訪問學者。他響應了Ellis 和 Silk的挑戰,並且邀請世界各地的學者參與了這次盛會,希望大家各抒己見。