当前观察：从夸克的反粒子到胶氨酸：对于超对称来讲，似乎情势不妙

2023-01-12 13:09:37 来源：科普中国

超对称理论的未来堪忧。

一份对来自强子对撞机结果的分析并未显示任何有关超对称理论的证据。

超对称理论认为自然界的基本粒子们通过一种深层关系互相连接。据它预测，新的粒子可能存在于世界上最大的对撞实验中。但一份报告中毫无超对称的迹象，这个理论似乎变得不再牢靠。

(资料图片仅供参考)

一份来自于大型强子对撞机的报告中没有任何超对称理论的证据。（图源：CERN）

神秘的对称论

亚原子宇宙由两种基本粒子组成：费米子（Fermions,以Enrco Fermi命名）和玻色子（Bosons, 以Satyendra Nath Bose命名）。本质上来讲，费米子是自然世界的基石：这其中包括夸克，电子和中子。如果您放大身体中的细胞，分子和原子，就会发现不计其数的费米子在游荡，各司其职。

相反，玻色子是自然界中基本力的承载者。电磁力由光子（玻色子的一种）承载。弱核力则由同组的三个玻色子携带，以及八种不同的玻色子合力来激发强核力。

引力则与一个概念性的、名为引力子的玻色子相关，但对于它，我们仍缺乏相关知识。

我们也不知道宇宙的粒子们为何会被划分为这两种。为什么不存在更多种粒子呢？为什么费米子具有这些特质呢？为什么玻色子会与力相关呢？这两种粒子之间又是否存在联系呢？

超动力粒子

也许费米子和玻色子之间的联系是真实存在的——这种联系被称作超对称。数学中的对称在现代物理学中占据主导地位。物理学家们通过发掘深层的数学关系来理解自然界中的力以及其他美妙的特质，例如能量守恒。通过对对称的寻找，物理学家们对世界中的规律有所了解。

在超对称理论中，存在着一种新型数学关系，它联系了费米子和玻色子。事实上，这并不仅仅是一种浅显的联系：超对称理论声称费米子和玻色子是同个硬币的两面。这种镜像关系意味着每一个费米子都对应着玻色子家族中的一个粒子，而每个玻色子亦能在费米子的世界中找到另一半。

在超对称中的行话中，镜像粒子们被赋予更加高深的名字: 每个费米子的镜像粒子的名字前面都加有字母’s’，所以夸克(quark)的镜像伙伴为squark，电子(electron)的伙伴则为 selectron。对于玻色子来说，它们的伙伴则在名字最后加有”ino”，所以光子(photon)与photino配对，胶子(gluon)则与gluino配对。所以，要寻找超对称的证据，只需找到漂浮着的gluino或者selectron。

这件事听起来很酷，但并不容易。在完全超对称的世界里，成对的粒子应该随处可见。我们每找到一个费米子我们都应该找得到它的玻色子，反之亦然——可我们没有。

我们之所以无法在宇宙中找到明显的对称是因为它已经破裂。在很久以前，那时的宇宙曾比现今热得多，密度也更大，对称性仍可以留存。但当伴随着宇宙的扩张，下降的温度破坏了对称性，把费米子和玻色子分离开来。破裂的对称导致了所有超对称粒子的质量大幅扩张，而在粒子物理学的范畴里，物体质量越大，就越不稳定。

唯一能接触超对称领域的方法是重塑早期宇宙的环境。比如，在大型粒子对撞机中。

举起世界的ATLAS

大型强子对撞机(LHC)，正如其名，是一个大型粒子对撞机。它可以把粒子们加速至接近光速，然后制造它们之间的撞击，以达到可能的最高能量 —— 这是自从宇宙大爆炸伊始就未曾出现过的境况。大型强子对撞机是为了搜寻超对称的踪迹而设计，在撞击后的残骸中寻找超对称粒子存在的证据。

其中的一台对撞机名为ATLAS，是环形大型强子对撞仪器(A Toroidal LHC ApparatuS)的缩写（是的，缩写地稍显牵强，但这名字很棒）。

那么结果如何呢？毫无，完全没有，零。

哪怕是年复一年地搜寻和加载那些从无数次撞击中囤积的数据，仍没有任何超对称粒子的踪迹。事实上，许多超对称模型已经完全被排除，只有少数几个仍然可行。

即使超对称理论在十年间已经受到很多理论学家的支持（他们经常将其描绘为理解宇宙的必然一步），在大型强子对撞机的启用后，它依然如履薄冰。尽管在初期存在这些存疑的结果，理论学家们仍期待着某些模型能够调整理论的不足，再从对撞实验中得到理想的结果。

哪怕并不是所有超对称模型都被否定，这个理论的未来还是堪忧。且因为物理学家们耗费了太多时间和精力在超对称理论上，我们并没有太多其他的有说服力的解释。

在一个没有超对称存在的宇宙中，物理从此又会走向何方呢？只有时间（和许多计算）会告诉我们答案。

BY:Paul Sutter