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讓人對(duì)超對(duì)稱性理論產(chǎn)生懷疑《世界科學(xué)》
理論雖然完美? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)卻不相配
——LHC的最新結(jié)果讓人對(duì)超對(duì)稱性理論產(chǎn)生懷疑
馮詩齊/編譯
LHC中的ATLAS探測器在尋找預(yù)言中的基本粒子的“超級(jí)搭檔”之努力是否已告失��？
“出色、美麗、獨(dú)特”，這是戈登·凱恩(GordonKane)對(duì)超對(duì)稱性理論的贊嘆詞。凱恩是密歇根大學(xué)安阿伯分校的理論物理學(xué)家，已經(jīng)對(duì)超對(duì)稱性理論研究了將近30年。他和其他許多人都相信，這個(gè)理論能解決我們所理解的存在于亞原子世界中的一些主要問題。
“超級(jí)粒子”是否存在？
不過，近來對(duì)超對(duì)稱性理論的擔(dān)心在逐漸增長。盡管這個(gè)理論優(yōu)雅而簡潔，但它有可能是錯(cuò)的——從跨越法-瑞邊界的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的一個(gè)質(zhì)子加速器獲得的數(shù)據(jù)中，沒有絲毫跡象顯示該理論所預(yù)言的“超級(jí)粒子”的存在�！拔覀冋诎殉瑢�(duì)稱性逼入困境，”正在為LHC的ATLAS探測器工作的英國劍橋大學(xué)粒子物理學(xué)家克里斯·萊斯特(Chris Lester)說。事實(shí)上，為配合LHC的緊湊型μ介子螺線管實(shí)驗(yàn)，ATLAS去年一整年都在尋找超級(jí)粒子。盡管LHC在接下來的幾周時(shí)間里以高能態(tài)運(yùn)行還將收集到更多的數(shù)據(jù)，但如果到今年年底探測器還無法找到任何超級(jí)粒子的話，那么這個(gè)理論就會(huì)遇到一系列麻http://www.stanzs.com煩。
超對(duì)稱性理論是為了彌補(bǔ)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的缺陷于1970年代引入的一種方法，它描述了構(gòu)成普通物質(zhì)的基本粒子的表現(xiàn)方式(參見‘基本粒子大家族’一圖)。科學(xué)家現(xiàn)在已找到了由標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的除希格斯-玻色子以外的每一種粒子——理論上認(rèn)為其他粒子的質(zhì)量是由希格斯-玻色子賦予的。
希格斯是超對(duì)稱性理論的關(guān)鍵所在，但其預(yù)報(bào)的質(zhì)量容易受到來自于其他基本粒子量子效應(yīng)原始波動(dòng)的干擾。事實(shí)上，這種波動(dòng)會(huì)增大希格斯預(yù)報(bào)的質(zhì)量，超過其他基本粒子的實(shí)際大小而突破標(biāo)準(zhǔn)模型。盡管理論物理學(xué)家們可以從他們的方程組中消除波動(dòng)的影響，但也只能通過將希格斯的質(zhì)量設(shè)置為非常精準(zhǔn)的值——一旦質(zhì)量調(diào)重或調(diào)輕了，就會(huì)使整個(gè)理論大廈崩潰。因此，許多物理學(xué)家對(duì)這個(gè)需要如此小心翼翼加以微調(diào)處理的理論感到不自在。
然而，超對(duì)稱性為這種‘微調(diào)’提供了一種替代辦法。該理論假設(shè)，每一個(gè)普通粒子都擁有一個(gè)較重的超對(duì)稱“搭檔”，它們中的許多都是不穩(wěn)定的，并且很少同普通物質(zhì)發(fā)生交互作用。因此，超對(duì)稱粒子的量子波動(dòng)可以完美地與普通粒子平衡，將希格斯-玻色子調(diào)整到一個(gè)可接受的質(zhì)量范圍內(nèi)。
理論物理學(xué)家還發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱性可以解決其他的一些問題。比如，某些質(zhì)量最輕的超對(duì)稱粒子可能就是難以捕捉的暗物質(zhì)，它們自1930年代以來就被宇宙學(xué)家所孜孜苦求。盡管它們從未被觀察到，然而，根據(jù)對(duì)星系運(yùn)動(dòng)的觀測所知，宇宙物質(zhì)中超過83%是由暗物質(zhì)所構(gòu)成。
除重力以外，超對(duì)稱性理論還能用來將所有的力在高能狀態(tài)下結(jié)合在一起，其最關(guān)鍵的一步是邁向統(tǒng)一和解釋所有已知物理量的“萬有理論”——這也是科學(xué)的最終目標(biāo)之一�；蛟S對(duì)某些理論物理學(xué)家而言，最重要的事情就在于此。誠如劍橋大學(xué)理論物理學(xué)家本·阿拉納思(Ben Allanach)所言：“超對(duì)稱是異常美妙的數(shù)學(xué)”。
超對(duì)稱大廈岌岌可危？
然而，LHC在尋找超對(duì)稱性理論所預(yù)言的超粒子的直接證據(jù)迄今沒有任何進(jìn)展，包括伊利諾伊州巴達(dá)維亞費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室的Tevatron粒子加速器，在質(zhì)量高達(dá)379千兆電子伏特時(shí)也未發(fā)現(xiàn)有超夸克的證據(jù)。
LHC目前正在整理在較高能量狀態(tài)下獲得的數(shù)據(jù)，以便排除超粒子在質(zhì)量較重范圍內(nèi)存在的可能性，盡管這么做可能會(huì)帶來一些負(fù)面問題：即超粒子大量增加時(shí)難以完美地消除可以校正的量子波動(dòng)。理論物理學(xué)家雖然可以照樣進(jìn)行他們的超對(duì)稱研究，但只能對(duì)超粒子假設(shè)一個(gè)非常特定的質(zhì)量——這種微調(diào)操作是創(chuàng)立該理論時(shí)應(yīng)該避免的。一旦LHC收集到更多的數(shù)據(jù)，超對(duì)稱性理論需要進(jìn)行更多地干預(yù)，以便對(duì)粒子質(zhì)量進(jìn)行微調(diào)。
到目前為止，LHC已對(duì)Tevatron粒子加速器所設(shè)定的質(zhì)量限制幾乎翻了一番，在能量高達(dá)700千兆電子伏特時(shí)仍未發(fā)現(xiàn)超夸克。到今年年底，當(dāng)LHC的能量達(dá)到1000千兆電子伏特時(shí)，屆時(shí)是否會(huì)排除掉對(duì)超對(duì)稱性理論的一些負(fù)面評(píng)論。
“我不想說我很擔(dān)心，”位于日內(nèi)瓦附近的歐洲粒子物理研究所（CERN）的理論家約翰·埃利斯(John Ellis)說。他對(duì)超對(duì)稱已經(jīng)研究了幾十年，并說他會(huì)一直等到2012年底——LHC再次以高能態(tài)運(yùn)行結(jié)束為止——決不會(huì)輕易放棄對(duì)超對(duì)稱性理論的研究。包括法國南巴黎大學(xué)的理論物理學(xué)家亞當(dāng)·福爾科瓦斯基(Adam Falkowski)也認(rèn)為，探測結(jié)果并沒有相關(guān)證據(jù)表明超對(duì)稱性理論已經(jīng)死亡，并稱超對(duì)稱效應(yīng)在數(shù)學(xué)上的優(yōu)雅已經(jīng)為這朵“鮮花”灌注了“宗教般的虔誠”。
“私下里，許多人感到超對(duì)稱性理論的未來處境不妙，”意大利比薩大學(xué)理論物理學(xué)家亞歷山德羅·斯特魯米亞(Alessandro Strumia)說，他最近撰寫了一篇有關(guān)LHC的最新結(jié)果對(duì)微調(diào)問題造成的沖擊的論文�！澳壳霸谖覀冞@個(gè)領(lǐng)域里，超對(duì)稱研究如同一個(gè)重大的政治議題，”他說，“對(duì)一些偉大的物理學(xué)家而言，獲得諾貝爾獎(jiǎng)和花費(fèi)畢生精力卻走錯(cuò)了路，兩者之間可有天壤之別。”埃利斯對(duì)此表示贊同：“至今我已對(duì)其研究了近30年，我能想象某些人可能會(huì)產(chǎn)生一些焦慮情緒�！�
“如果我們發(fā)現(xiàn)不了超對(duì)稱”，萊斯特說，“很多事情就會(huì)發(fā)生變化�！被蛟S理論物理學(xué)家將不得不返回原地，重新尋找一種代替的方法來解決標(biāo)準(zhǔn)模型的問題。接著他補(bǔ)充說，這也并不一定就是一件壞事，“粒子物理作為一個(gè)整體將會(huì)真正的被激發(fā)。”
[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：則 鳴]
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