为什么超对称可能是粒子物理学史上最失败的预言？

来源：返朴 ID：fanpu2019

撰文 |Ethan Siegel

翻译|姬扬

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。

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（1019 GeV）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 ħ，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。

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。

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。

《返朴》，致力好科普。国际著名物理学家文小刚与生物学家颜宁联袂担任总编，与几十位学者组成的编委会一起，与你共同求索。关注《返朴》（微信号：fanpu2019）参与更多讨论。二次转载或合作请联系fanpu2019@outlook.com。