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從誇克的反粒子到膠胺酸:對於超對稱來講,似乎情勢不妙

2024-09-19科學

隱憂的未來,無根據的現在,超對稱的路在何方?

超對稱理論的未來堪憂。

一份對來自強子對撞機結果的分析並未顯示任何有關超對稱理論的證據。

超對稱理論認為自然界的基本粒子們透過一種深層關系互相連線。據它預測,新的粒子可能存在於世界上最大的對撞實驗中。但一份報告中毫無超對稱的跡象,這個理論似乎變得不再牢靠。

一份來自於大型強子對撞機的報告中沒有任何超對稱理論的證據。(圖源:CERN)

神秘的對稱論

亞原子宇宙由兩種基本粒子組成:費米子(Fermions,以Enrco Fermi命名)和玻色子(Bosons, 以Satyendra Nath Bose命名)。本質上來講,費米子是自然世界的基石:這其中包括誇克,電子和中子。如果您放大身體中的細胞,分子和原子,就會發現不計其數的費米子在遊蕩,各司其職。

相反,玻色子是自然界中基本力的承載者。電磁力由光子(玻色子的一種)承載。弱核力則由同組的三個玻色子攜帶,以及八種不同的玻色子合力來激發強核力。

重力則與一個概念性的、名為重力子的玻色子相關,但對於它,我們仍缺乏相關知識。

我們也不知道宇宙的粒子們為何會被劃分為這兩種。為什麽不存在更多種粒子呢?為什麽費米子具有這些特質呢?為什麽玻色子會與力相關呢?這兩種粒子之間又是否存在聯系呢?

超動力粒子

也許費米子和玻色子之間的聯系是真實存在的——這種聯系被稱作超對稱。數學中的對稱在現代物理學中占據主導地位。物理學家們透過發掘深層的數學關系來理解自然界中的力以及其他美妙的特質,例如能量守恒。透過對對稱的尋找,物理學家們對世界中的規律有所了解。

在超對稱理論中,存在著一種新型數學關系,它聯系了費米子和玻色子。事實上,這並不僅僅是一種淺顯的聯系:超對稱理論聲稱費米子和玻色子是同個硬幣的兩面。這種映像關系意味著每一個費米子都對應著玻色子家族中的一個粒子,而每個玻色子亦能在費米子的世界中找到另一半。

在超對稱中的行話中,映像粒子們被賦予更加高深的名字: 每個費米子的映像粒子的名字前面都加有字母’s’,所以誇克(quark)的映像夥伴為squark,電子(electron)的夥伴則為 selectron。對於玻色子來說,它們的夥伴則在名字最後加有」ino」,所以光子(photon)與photino配對,膠子(gluon)則與gluino配對。所以,要尋找超對稱的證據,只需找到漂浮著的gluino或者selectron。

這件事聽起來很酷,但並不容易。在完全超對稱的世界裏,成對的粒子應該隨處可見。我們每找到一個費米子我們都應該找得到它的玻色子,反之亦然——可我們沒有。

我們之所以無法在宇宙中找到明顯的對稱是因為它已經破裂。在很久以前,那時的宇宙曾比現今熱得多,密度也更大,對稱性仍可以留存。但當伴隨著宇宙的擴張,下降的溫度破壞了對稱性,把費米子和玻色子分離開來。破裂的對稱導致了所有超對稱粒子的質素大幅擴張,而在粒子物理學的範疇裏,物體質素越大,就越不穩定。

唯一能接觸超對稱領域的方法是重塑早期宇宙的環境。比如,在大型粒子對撞機中。

舉起世界的ATLAS

大型強子對撞機(LHC),正如其名,是一個大型粒子對撞機。它可以把粒子們加速至接近光速,然後制造它們之間的撞擊,以達到可能的最高能量 —— 這是自從宇宙大爆炸伊始就未曾出現過的境況。大型強子對撞機是為了搜尋超對稱的蹤跡而設計,在撞擊後的殘骸中尋找超對稱粒子存在的證據。

其中的一台對撞機名為ATLAS,是環形大型強子對撞儀器(A Toroidal LHC ApparatuS)的縮寫(是的,縮寫地稍顯牽強,但這名字很棒)。

那麽結果如何呢?毫無,完全沒有,零。

哪怕是年復一年地搜尋和載入那些從無數次撞擊中囤積的數據,仍沒有任何超對稱粒子的蹤跡。事實上,許多超對稱模型已經完全被排除,只有少數幾個仍然可行。

即使超對稱理論在十年間已經受到很多理論學家的支持(他們經常將其描繪為理解宇宙的必然一步),在大型強子對撞機的啟用後,它依然如履薄冰。盡管在初期存在這些存疑的結果,理論學家們仍期待著某些模型能夠調整理論的不足,再從對撞實驗中得到理想的結果。

哪怕並不是所有超對稱模型都被否定,這個理論的未來還是堪憂。且因為物理學家們耗費了太多時間和精力在超對稱理論上,我們並沒有太多其他的有說服力的解釋。

在一個沒有超對稱存在的宇宙中,物理從此又會走向何方呢?只有時間(和許多計算)會告訴我們答案。

BY:Paul Sutter

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