宇宙的「超對稱粒子」在哪裡?

2021-01-18 天文物理

粒子物理學的支配理論解釋了關於亞原子世界的一切……除了它沒有解釋的部分。不幸的是，對於所謂的標準模型，並沒有很多奉承的形容詞。這一基礎物理理論是在幾十年的時間裡一點一點地建立起來，它最恰當的描述是笨拙、大雜燴和馬吉夫——就像用幾根繩子和口香糖拼湊而成。儘管如此，它仍然是一個非常強大的模型，能夠準確地預測各種各樣的相互租用和過程。但它確實有一些明顯的缺點：它沒有納入引力力；它無法解釋各種粒子的質量，其中一些粒子施加了力；它無法解釋中微子的某些行為，它沒有暗物質存在的答案。所以我們得想個辦法，需要超越標準模型來更好地理解我們的宇宙。


博科園-科學科普：不幸的是，許多解釋這一偉大超對稱理論的主要競爭者，近年來要麼被排除在外，要麼受到嚴格限制。然而，仍然有一個概念可以解釋標準模型沒有涵蓋的宇宙神秘部分：長壽的超對稱粒子，有時簡稱sparticles。但令人沮喪的是，最近對這些奇怪粒子的研究卻一無所獲。到目前為止，最流行的一組理論突破了當前標準模型的界限，它們被歸為一類被稱為超對稱的思想。

在這些模型中，自然界中粒子的兩個主要陣營(「玻色子」，如我們所熟悉的光子;而「費米子」——比如電子、夸克和中微子——實際上有一種奇怪的「兄弟」關係「。每個玻色子在費米子世界裡都有一個伴子，同樣的，每個費米子也有一個自己的玻色子朋友。


世界上最大的粒子加速器，大型強子對撞機，在法國和瑞士的邊界下形成了一個17英裡(27公裡)長的環。圖片：Maximilien Brice/CERN


這些合作夥伴(或者用粒子物理學中令人困惑的術語——「超級合作夥伴」——更恰當地說)都不屬於已知粒子的正常家族。相反，它們通常要重得多、陌生得多，而且通常看起來更奇怪。已知粒子和它超伴粒子之間的質量差異是一種稱為對稱性斷裂現象的結果。這意味著在高能量下(就像粒子加速器的內部)，粒子和它們的夥伴之間的數學關係是穩定的，導致質量相等。然而，在低能量的情況下(就像你在日常生活中所經歷的能量水平)，這種對稱性就會被打破，導致搭檔粒子的質量暴漲。這個機制很重要，因為它也可能解釋為什麼，比如說，重力比其他力弱得多。這個數學問題有點複雜，但簡單來說就是：宇宙中有什麼東西斷裂了，導致普通粒子的質量大大低於它們的超伴粒子。


同樣的破壞行為可能會「懲罰」引力，削弱它相對於其他力的力。為了尋找超對稱性，一群物理學家加入進來，建造了名為大型強子對撞機(Large Hadron Collider)的原子加速器。經過多年的艱苦探索，對撞機得出了一個令人驚訝但令人失望的結論:幾乎所有超對稱性模型都是錯誤的。簡單地說，我們找不到任何伴粒子。零。無價值之物。沒有什麼結果。在世界上最強大的對撞機上，沒有任何超對稱的跡象。在這個對撞機上，粒子以接近光速繞著一個圓形裝置快速運動，然後相互碰撞，有時會產生奇異的新粒子。這並不意味著超對稱性本身就是錯的，但所有最簡單的模型現在都被排除在外了。是時候拋棄超對稱性了嗎？也許吧，但也許會有長壽的粒子。


冰立方實驗地面設施位於南極洲將近1英裡(1.6公裡)的冰層之下，冰立方表明幽靈中微子不存在，但一項新的實驗表明它們存在。圖片：Courtesy of IceCube Neutrino Observatory


通常在粒子物理學領域，質量越大，就越不穩定，越快地衰變成更簡單，更輕的粒子。事情就是這樣。由於夥伴粒子都被認為是重的(否則，我們現在就能看到它們了)，預計它們會迅速衰變成可能認識的其他物質簇，然後就會相應地建造探測器。但是如果伴粒子的壽命很長呢？如果，通過一些奇特的物理現象(給理論學家幾個小時的時間來思考，會想出足夠多的奇怪現象來讓它發生)，這些粒子在盡職盡責地衰變成不那麼奇怪的東西之前，設法逃脫了探測器的限制，那該怎麼辦？在這種情況下，搜索結果會是完全空的，僅僅是因為我們找得不夠遠。而且，探測器並不是為了能夠直接尋找這些長壽粒子而設計的。



發表在《arXiv》上發表的一篇最新論文中，大型強子對撞機(Large Hadron Collider，大型強子對撞機)上的ATLAS(環形強子對撞機設備的縮寫)團隊成員報告了一項對這種長壽粒子的研究。在目前實驗設置下，他們不能搜索每一個可能的長壽粒子，但是他們能夠搜索質量是質子5到400倍的中性粒子。

阿特拉斯團隊搜尋的不是探測器中心的長壽粒子，而是探測器邊緣的長壽粒子，這樣一來，這些長壽粒子就可以在任何地方移動，從幾釐米到幾米不等。從人類的標準來看，這似乎並不遙遠，但對於質量巨大的基本粒子來說，它就像是已知宇宙的邊緣。



當然，這不是第一次尋找長壽粒子，但它是最全面的一次，幾乎使用了大型強子對撞機(Large Hadron Collider)實驗記錄的全部重量。結果是：什麼都沒有。零。無價值之物。沒有什麼結果。沒有任何長壽粒子的跡象。這是否意味著這個想法也失敗了？不完全是，只是在勉強度日。在我們真正捕捉長壽粒子之前，可能還需要專門設計的另一代實驗來捕捉長壽粒子。或者，更令人沮喪的是，它們根本不存在。這就意味著這些粒子（以及它們的超對稱夥伴）實際上只是狂熱的物理學家們憑空想像出來的幽靈，而我們真正需要的是一個全新框架來解決現代物理學中一些突出的問題。


博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《arXiv》

文: Paul Sutter/Live Science

Cite: arXiv:1902.03094

博科園-傳遞宇宙科學之美


我們小程序看更多：博科園

相關焦點

  • 能解釋宇宙的「超對稱粒子」在哪裡?
    但它確實有一些明顯的缺點：它沒有納入引力力；它無法解釋各種粒子的質量，其中一些粒子施加了力；它無法解釋中微子的某些行為，它沒有暗物質存在的答案。所以我們得想個辦法，需要超越標準模型來更好地理解我們的宇宙。博科園-科學科普：不幸的是，許多解釋這一偉大超對稱理論的主要競爭者，近年來要麼被排除在外，要麼受到嚴格限制。
  • 尋找超對稱粒子
    創建粒子需要極大的能量，這種能量僅在大爆炸後不久存在，並且可能在大型強子對撞機（LHC）等大型粒子加速器中產生。至於為什麼超對稱粒子如此沉重，物理學家推測在宇宙的某些隱藏部分可能已經破壞了對稱性，我們無法看到或觸摸但只能感受到引力。超夸克，超光子，超電子，中性子。
  • 任重而道遠:尋找神秘暗物質的關鍵——超對稱粒子
    ATLAS是日內瓦大型強子對撞機(LHC)的超大粒子探測器，因2012年發現希格斯玻色子而聞名於世，現在它已經開始尋找更奇特的粒子——包括理論上的「超對稱」粒子，或者說宇宙中所有已知粒子的伴侶粒子。如果超對稱粒子是真實存在的話，那麼其中的一些粒子可以解釋充斥著宇宙的那些看不見的暗物質。
  • 事實證明:宇宙中的粒子是對稱的!但是真相呢?
    自然界的對稱性為我們對宇宙的基本認識提供了重要的線索，從萬有引力的普適性到自然力量在高能量下的統一。在20世紀70年代，物理學家們發現了一種潛在的對稱性，它將宇宙中所有的粒子，從電子到光子，以及介於兩者之間的所有粒子，都聯繫在了一起。
  • 大型強子對撞機實驗未找到超對稱粒子(圖)
    (LHC)的試驗結果似乎已經將亞原子粒子理論中的一種最簡單版本：超對稱理論排除。　　研究人員在試驗中未能找到所謂的「超對稱」粒子。日本粒子物理學家宮沢弘成最早於1966年首次提出超對稱理論，當時是為了補充標準模型中的一些漏洞。它描述了費米子和玻色子之間的對稱性，認為每種費米子都應有一種玻色子與之配對，反之亦然。一旦被證實，它將有助於統一自然界的基本作用力，並幫助解釋宇宙中存在的暗物質問題。
  • 為什麼超對稱可能是粒子物理學史上最失敗的預言預言?
    高能粒子會與其他粒子碰撞，產生大量新的粒子，可以用探測器看到。、通過重構每個能量、動量和其他屬性，我們可以確定最初發生碰撞的事件以及在此事件中產生的結果。自Wess和Zumino首次提出超對稱性以來的近50年中，從未見過任何超對稱粒子。
  • 科學家曾預言超對稱粒子是存在的
    玻色子和費米子對於許多物理學家而言，他們偏好一種東西，那就是一類名為超對稱的理論所預言的粒子超對稱粒子超對稱理論預言，對於每一種費米子，一定對應存在著一種在許多性質上與其極為類似的玻色子以電子為例，它就有一個尚未被發現的玻色子夥伴，我們稱為超電子。類似的，光子也存在一個費米子的對稱粒子，稱為光微子。在超對稱的所有新粒子裡，有一種粒子有可能穩定存在並具有暗物質粒子所應具有的特質，這就是這類粒子裡最輕的一種：超中性子。
  • 物理學最前沿,對超對稱粒子的探索
    芝加哥大學的一組研究人員最近開始了對生命的研究——或者更確切地說，是對超對稱長壽粒子壽命的研究。超對稱理論是粒子物理學標準模型的擴展理論。與元素周期表類似，標準模型是我們對自然界亞原子粒子和作用於它們的力的最好描述。
  • 超對稱理論的崛起與衰落
    超對稱做了一個非常大膽的預言：每一個標準模型中的基本粒子都有一種被稱為超對稱夥伴的粒子與之匹配，它們的性質幾乎完全一樣，除了超對稱夥伴的自旋與原粒子相差±½。這些超對稱夥伴可以保護所有粒子的質量（包括標準模型中的粒子以及超對稱中的粒子），在超對稱破缺時，都遠比普朗克質量要小，而超對稱夥伴會得到比標準模型中的粒子更大的質量。【註：自發對稱破缺是粒子物理學標準模型的基礎原則之一。舉一個簡單的粒子，讓鉛筆豎立在筆尖，這是對稱的，即在平衡時，各方向是一樣的。但它是不穩定的。
  • 超對稱性理論——將有助於回答宇宙中最本質的問題
    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。
  • 超對稱性理論實驗測試中失敗,粒子物理學的未來在哪?
    作為1982年在莫斯科的一位年輕理論家，米哈伊爾希夫曼被一種稱為超對稱的優雅新理論所吸引，該理論試圖將已知的基本粒子納入更完整的宇宙清單。「我那時的論文確實散發出熱情，」現年63歲的明尼蘇達大學教授希夫曼說。幾十年來，他和其他數千名物理學家發展了超對稱假說，相信實驗會證實這一點。
  • 超對稱粒子賭局:諾獎得主輸給「民科之王」—新聞—科學網
    ■本報記者 倪思潔 7月8日，諾貝爾物理學獎得主弗朗克·韋爾切克「輸掉」了一場長達6年的、關於超對稱粒子的賭局。這場賭局的贏家，是被稱為「民科之王」的安東尼·加瑞特·裡希。 在一次物理學會議上，裡希和韋爾切克打了一個1000美元的賭：裡希認為超對稱粒子根本不存在，而韋爾切克則相信大型強子對撞機（LHC）將在6年內探測到超對稱粒子。
  • 暗物質、超對稱粒子會不會重走以太的道路?
    說實話，還真的有，並且也是非常重要的概念，比如暗物質、超對稱粒子等。這些概念為一大批理論以及實驗物理學家提供了飯碗，理論物理學家說它們存在，並用它們勾勒出非常美好的畫面，可實驗物理學家用了各種手段也沒有直接探測到它們。為了探測暗物質，太空中有各種探測儀，地底下也有實驗室，大型對撞機裡也希望能夠覓到暗物質的蹤跡。
  • 引力 + 超對稱 = ?
    這看起來似乎只是一個非常微小的區別，但其實它會導致兩種粒子在行為上出現巨大的差異。例如，費米子是構成普通物質的粒子，而玻色子則是攜帶力的粒子（比如強核力就是由膠子傳遞的）。當時，Julius Wess和Bruno Zumino揭示了一種新的時空對稱性——「超對稱」，它允許費米子可以被「旋轉」為玻色子，反之亦然。也就是說，每一個基本粒子都有一個更重的超對稱夥伴，比如所有的玻色子都有一個「超費米子」夥伴，而每個費米子又有一個「超玻色子」夥伴。
  • 解讀：宇宙中最基本的單元是粒子還是波？
    宇宙中存在著各種類型的力，是它們把散沙般的基本粒子結合在一起，組成了各種各樣的物質，並安排了宇宙間的秩序。這些力從本質上都可歸結為四種基本力：引力、電磁力、強力和弱力。哪裡出現了引力子，哪裡就有引力。這也證明了弦具有引力的特性。
  • 超越希格斯粒子 宇宙中可能潛伏著的5種神秘粒子
    玻色子是粒子間相互作用力的使者，傳遞這種相互作用力，包括膠子和引力子等；而費米子是組成物質的基本載體，包括夸克子、電子和「幽靈般」的中微子等。 　　根據超對稱性理論，每種費米子都同一種玻色子配對，反之亦然。
  • 物理學家探測到罕見粒子衰變 或顛覆超對稱理論-科教臺-中國網絡...
    這項發現對於現行的物理學理論，即超對稱理論將是一項重大打擊。　　超對稱理論之所以獲得流行，是因為它很好地構成了對現有描述亞原子粒子性質的標準模型的修正。它可以解釋標準模型中存在的一些缺陷。而近日在日本京都舉行的強子對撞機物理學會議上研究人員們報告的一項發現和超對稱理論的諸多最可能的模型不符，研究人員們將於近期發表有關這一結果的論文。
  • 超對稱賭局:諾獎得主輸了!?
    在一次物理學會議上，裡希和韋爾切克打了一個1000美元的賭：裡希認為超對稱粒子根本不存在，而韋爾切克則相信大型強子對撞機（LHC）將在6年內探測到超對稱粒子。這場賭局的仲裁人是那次物理學會議的主持人、麻省理工學院教授馬克斯·泰戈馬克。 　　如今，6年已逝，LHC在經歷了兩年多的休整後終於在6月3日將能量成功提升到13萬億電子伏特，但仍未發現超對稱粒子的跡象。
  • 超對稱入門
    因此超對稱唯象模型是超出標準模型新物理模型的主流方向，也是正在運行的大強子對撞機（LHC）以及未來更高能量對撞機探測的重要目標。方興未艾的暗物質理論和實驗探測也把超對稱理論做為其研究的首要目標之一。因此超對稱理論基礎的教學對於理論物理的前沿研究有著重要的意義。
  • 超對稱唯象學研究獲進展—新聞—科學網
    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。