用超對(duì)稱性解決這些問(wèn)題的夢(mèng)想已經(jīng)破滅,物理學(xué)家必須面對(duì)這個(gè)現(xiàn)實(shí)

超對(duì)稱是基本粒子理論中一個(gè)可能存在的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)非常神奇。理論物理學(xué)家用它得出了一個(gè)比一個(gè)漂亮的結(jié)果。但這么漂亮的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，是不是真的描寫(xiě)了我們這個(gè)宇宙的基本粒子？我們這個(gè)宇宙的基本粒子理論是不是真的是最漂亮的？目前的實(shí)驗(yàn)給出的答案是：否。我們也許需要更高能的實(shí)驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱。也可能，超對(duì)稱根本不存在。

高能粒子彼此碰撞，產(chǎn)生大量新的粒子，可以用探測(cè)器看到。通過(guò)重構(gòu)每個(gè)粒子的能量、動(dòng)量和其他性質(zhì)，我們可以推斷發(fā)生碰撞的粒子及其產(chǎn)物。自Wess和Zumino首次提出超對(duì)稱性以來(lái)已經(jīng)快50年了，但是還沒(méi)有觀測(cè)到任何超對(duì)稱粒子。（來(lái)源：FERMILAB）

有時(shí)候，理論物理學(xué)會(huì)產(chǎn)生深?yuàn)W的想法。如果某個(gè)想法一舉解決了一系列疑難問(wèn)題、同時(shí)給出新的可以檢驗(yàn)的預(yù)測(cè)，就一定會(huì)引起極大的興趣。它不僅提供了潛在的前進(jìn)之路，還能吸引人們的想象力。如果它的預(yù)測(cè)得到證實(shí)，就可以開(kāi)啟對(duì)宇宙的全新認(rèn)識(shí)。

當(dāng)物理學(xué)家遇到超對(duì)稱性（supersymmetry, SUSY）的時(shí)候，情況恰恰如此。沒(méi)有人知道，在標(biāo)準(zhǔn)模型里，基本粒子的質(zhì)量為什么比普朗克質(zhì)量小得多？基本常數(shù)為什么不統(tǒng)一？暗物質(zhì)可能是什么？超對(duì)稱性理論對(duì)每一個(gè)問(wèn)題都給出了答案，還預(yù)言了很多的新粒子。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的第二輪實(shí)驗(yàn)已經(jīng)結(jié)束了，但是并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)那些粒子。用超對(duì)稱性解決這些問(wèn)題的夢(mèng)想已經(jīng)破滅，物理學(xué)家必須面對(duì)這個(gè)現(xiàn)實(shí)。

標(biāo)準(zhǔn)模型的夸克和輕子的質(zhì)量。在標(biāo)準(zhǔn)模型里，最重的粒子是頂夸克；最輕的是電子（不算中微子），其質(zhì)量是511 keV/c2。中微子比電子至少要輕400萬(wàn)倍：這比其他粒子之間的差別大得多。在能量尺度的另一端，普朗克能量（1019GeV）大得令人不安。我們不知道有什么粒子比頂夸克還重。（來(lái)源：HITOSHI MURAYAMA OF HTTP://HITOSHI.BERKELEY.EDU/）

超對(duì)稱性的動(dòng)機(jī)可以追溯到量子力學(xué)的早期和電子的問(wèn)題。電子是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗鼪](méi)有大小——它是一個(gè)點(diǎn)粒子，但確實(shí)有電荷。只要有電荷，就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)和電勢(shì)。因?yàn)樗旧碛须姾?，所以就能感受到自己產(chǎn)生的電勢(shì)：電子存在的本身就導(dǎo)致了固有的能量。電子越小，其內(nèi)部能量就越大。這意味著，如果電子真的是點(diǎn)粒子，其能量就必定是無(wú)限大。

當(dāng)然，事實(shí)并非如此。電子的固有能量是有限的，由它的靜止質(zhì)量和著名的愛(ài)因斯坦方程E=mc2決定。

量子場(chǎng)論計(jì)算得到的量子真空中的虛擬粒子（具體地說(shuō)，針對(duì)的是強(qiáng)相互作用）。即使周圍一無(wú)所有，這種真空能量也不等于零。粒子-反粒子對(duì)可以突然出現(xiàn)或消失，與電子這樣的真實(shí)粒子相互作用，從而修正電子非常重要的自能。（來(lái)源：DEREK LEINWEBER）

根據(jù)電磁學(xué)定律，如果電子的大小使得它的電能量等于它的質(zhì)量，就可以得到電子的直徑約為5×10-15米，比質(zhì)子還要大。顯然，這是不對(duì)的！

解決的辦法是存在反物質(zhì)、特別是正電子（也就是反電子）。在量子物理學(xué)里，真空不空——真空不是一無(wú)所有、空無(wú)一物，而是由許多虛粒子組成，它們不停地閃現(xiàn)、幻滅，其中就包括電子-正電子對(duì)。

電子不僅能產(chǎn)生光子并使之與自己發(fā)生相互作用，還能與電子-正電子對(duì)漲落中產(chǎn)生的正電子一起湮滅，只留下“漲落”中產(chǎn)生的電子。計(jì)算表明，這兩種貢獻(xiàn)幾乎抵消，使得電子的尺寸非常小，盡管它的電荷比較大。

在標(biāo)準(zhǔn)模型以外，當(dāng)然還會(huì)有新的物理。但是，除非能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大型對(duì)撞機(jī)所能達(dá)到的水平，新物理也許并不會(huì)出現(xiàn)。無(wú)論這種猜測(cè)是否正確，我們只能試試看。與任何其他工具相比，未來(lái)的對(duì)撞機(jī)可以更好地研究已知粒子的性質(zhì)。到目前為止，LHC揭示的任何事情都沒(méi)有超出標(biāo)準(zhǔn)模型的已知粒子。（來(lái)源：UNIVERSE-REVIEW.CA）

“好吧，好吧，”你說(shuō)，“這是量子宇宙的偉大勝利。但這和超對(duì)稱性有什么關(guān)系呢？”

要點(diǎn)在于，這種量子抵消之所以發(fā)生，就是因?yàn)槔碚撝杏幸环N對(duì)稱性（物質(zhì)和反物質(zhì)之間的對(duì)稱性）保護(hù)了電子的性質(zhì)，使它具有特定的質(zhì)量、大小和電荷性質(zhì)。

超對(duì)稱性的要點(diǎn)在于，可能存在一種額外的對(duì)稱性（費(fèi)米子和玻色子之間的對(duì)稱性），類似地保護(hù)著物質(zhì)的性質(zhì)，而且使得粒子質(zhì)量遠(yuǎn)小于普朗克尺度。粒子的質(zhì)量不是大約1019GeV/c2，而是比它小17個(gè)數(shù)量級(jí)——只要標(biāo)準(zhǔn)模型里的每個(gè)粒子都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的超對(duì)稱伴侶。

標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子及其超對(duì)稱伴侶。這些粒子已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了不到一半，另外的一半多些卻不見(jiàn)蹤跡。超對(duì)稱性的想法希望改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)模型，但是在試圖補(bǔ)充主流理論的時(shí)候，還沒(méi)有對(duì)宇宙做出成功的預(yù)言。（來(lái)源：CLAIRE DAVID / CERN）

你必須將已知的基本粒子數(shù)量翻一番，為每個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子創(chuàng)建一個(gè)超對(duì)稱伴侶（標(biāo)準(zhǔn)模型里的每個(gè)玻色子都要有一個(gè)超對(duì)稱費(fèi)米子，每個(gè)費(fèi)米子有一個(gè)超對(duì)稱玻色子）。但是在理論上，這種對(duì)稱性可以將這些粒子的質(zhì)量降低到我們觀察到的數(shù)值。

如果這些新的超對(duì)稱粒子大約相當(dāng)于電弱力的能量尺度（大約100GeV到幾個(gè)TeV），它們也可以：

1、在LHC達(dá)到的能量范圍里產(chǎn)生和測(cè)量；

2、使得三種量子力（電磁力、弱力和強(qiáng)核力）的耦合常數(shù)在理論的大統(tǒng)一尺度上近似統(tǒng)一；

3、產(chǎn)生一個(gè)中性的、穩(wěn)定的超對(duì)稱粒子——它是宇宙中暗物質(zhì)的最佳候選者。

耦合常數(shù)作為能量的函數(shù)（采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)），它們看起來(lái)并沒(méi)有匯合在一起（左圖）。如果按照預(yù)測(cè)的那樣把超對(duì)稱粒子加進(jìn)去，耦合常數(shù)在~1015GeV（即通常的大統(tǒng)一尺度上）相遇，或者靠得更近。[來(lái)源：CERN (EUROPEAN ORGANIZATION FOR NUCLEAR RESEARCH), 2001]

自然界里有幾個(gè)基本常數(shù)：萬(wàn)有引力常數(shù)（G），普朗克常數(shù)（h 或 ?，即 h/2π），光速（c）。這些常數(shù)的不同組合可以得到時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量的值——這些就是普朗克單位。如果用第一性原理來(lái)預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)模型中粒子的質(zhì)量，它們就應(yīng)該是普朗克質(zhì)量的量級(jí)，大約是1028eV/c2。但問(wèn)題是，這個(gè)質(zhì)量比宇宙中觀察到的最重粒子的質(zhì)量大了17個(gè)數(shù)量級(jí)，也就是100,000,000,000,000,000倍。

特別是希格斯玻色子，它應(yīng)該有普朗克質(zhì)量，所有其他粒子也應(yīng)該如此——因?yàn)橄８袼箞?chǎng)與其他粒子耦合、給它們以質(zhì)量。我們觀測(cè)到的質(zhì)量?jī)H僅是125 GeV/c2，說(shuō)明應(yīng)該有其他一些東西起作用。

幾年前，CMS合作項(xiàng)目和ATLAS合作項(xiàng)目宣布了希格斯玻色子的第一個(gè)可靠的5-sigma檢測(cè)。因?yàn)槠滟|(zhì)量固有的不確定性，希格斯玻色子在數(shù)據(jù)中不是一個(gè)“尖峰”，而是一個(gè)寬寬的鼓包。它的質(zhì)量是125GeV/c2，而不是更合理的預(yù)測(cè)值~1019GeV/c2——這是物理學(xué)的一個(gè)不解之謎。[來(lái)源：THE CMS COLLABORATION,“OBSERVATION OF THE DIPHOTON DECAY OF THE HIGGS BOSON AND MEASUREMENT OF ITS PROPERTIES”, (2014)]

從理論上講，超對(duì)稱性是解決這個(gè)難題的一種可能方法；實(shí)際上，任何已知的其他解決方案都是不可行的。然而，唯一可能的解決方案并不意味著就一定是正確的。事實(shí)上，對(duì)于物理學(xué)來(lái)說(shuō)，超對(duì)稱性的每一種預(yù)測(cè)都很有問(wèn)題。

1、如果超對(duì)稱性是等級(jí)問(wèn)題的解決方案，那么LHC就絕對(duì)可以達(dá)到最輕的超伴侶粒子的能量。到目前為止，LHC還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何東西，這就足以推翻所有的超對(duì)稱性模型——但它們本來(lái)就是為解決這個(gè)問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。

2、強(qiáng)力不能與其他力統(tǒng)一。到目前為止，在我們的宇宙中還沒(méi)有統(tǒng)一的證據(jù)，因?yàn)橘|(zhì)子衰變實(shí)驗(yàn)沒(méi)有得到預(yù)期的結(jié)果。最初的動(dòng)機(jī)在這里也站不住腳：如果你把三條曲線放在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，并在足夠大的能量處放大，它們看起來(lái)總是像一個(gè)三角形，而沒(méi)有匯合在單個(gè)點(diǎn)。

3、如果暗物質(zhì)真的由最輕的超對(duì)稱粒子構(gòu)成，那么相應(yīng)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)早就應(yīng)該檢測(cè)到了（例如CDMS、 XENON和Edelweiss，等等）。此外，超對(duì)稱性暗物質(zhì)應(yīng)該以一種非常特殊的方式湮滅，但是也從來(lái)沒(méi)有觀測(cè)到。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果嚴(yán)格地限制了WIMP暗物質(zhì)的范圍。在最下方曲線以上的所有WIMP（相互作用微弱的有質(zhì)量的粒子）截面和暗物質(zhì)質(zhì)量都被排除掉了。這意味著，超對(duì)稱性暗物質(zhì)的絕大多數(shù)模型是不可行的。（來(lái)源：XENON-100 COLLABORATION (2012), VIA HTTP://ARXIV.ORG/ABS/1207.5988）

對(duì)于這個(gè)想法來(lái)說(shuō)，對(duì)撞機(jī)對(duì)其自身的限制是特別要命的。要想用超對(duì)稱性解決質(zhì)量為什么這么小的問(wèn)題，你至少需要產(chǎn)生一個(gè)超對(duì)稱粒子，其質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)模型最重的粒子具有相同的數(shù)量級(jí)。

這是設(shè)計(jì)和建造LHC進(jìn)行觀測(cè)的主要特征之一。那里根本就沒(méi)有這些粒子，因而強(qiáng)烈地限制了它們的質(zhì)量，理論學(xué)家再也不能只用超對(duì)稱性來(lái)解決等級(jí)問(wèn)題了。相反，必須有一些額外的機(jī)制（例如，劈裂的超對(duì)稱性方案）來(lái)解釋粒子的質(zhì)量為什么這么小，而超對(duì)稱伴侶的質(zhì)量卻那么大。換句話說(shuō)，這個(gè)理論美麗、優(yōu)雅而且有說(shuō)服力，但是它的最初動(dòng)機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)不再是主流了。它的預(yù)期目標(biāo)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。

在LHC第一輪實(shí)驗(yàn)的早期，ATLAS合作項(xiàng)目在2000 GeV處看到了一種新粒子的“鼓包”（雙玻色子，diboson），許多人希望這是一種新粒子的證據(jù)。不幸的是，隨著更多數(shù)據(jù)的積累，人們發(fā)現(xiàn)這僅僅是一種統(tǒng)計(jì)噪音。從那以后，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新粒子的可靠特征。

[ATLAS 合作項(xiàng)目（左圖）, 來(lái)源：HTTP://ARXIV.ORG/ABS/1506.00962 ；

CMS合作項(xiàng)目（右圖）, 來(lái)源：HTTP://ARXIV.ORG/ABS/1405.3447]

關(guān)鍵是要知道超對(duì)稱性究竟是什么，因?yàn)檫@個(gè)想法在理論上很有說(shuō)服力。它優(yōu)雅而有力地解決了其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手解決不了的問(wèn)題。它創(chuàng)造了新的可以檢驗(yàn)的預(yù)言，而這些測(cè)試大部分都已經(jīng)完成了。不幸的是，迄今為止的答案是，盡管超對(duì)稱性可能很有趣，但是它描述的并不是我們的宇宙。

和以往一樣，持續(xù)的實(shí)驗(yàn)將是大自然的最終裁判，但沒(méi)有一個(gè)理性的人能夠認(rèn)為有證據(jù)支持超對(duì)稱性。如果超對(duì)稱性是錯(cuò)誤的，很多人的整個(gè)職業(yè)生涯就進(jìn)了死胡同——有史以來(lái)最有趣的一個(gè)死胡同。如果在任何能量尺度上，大自然都不存在超對(duì)稱性（包括普朗克尺度，雖然這非常難以檢驗(yàn)），那么弦理論（它導(dǎo)致了超對(duì)稱性）就無(wú)法描述我們的宇宙。

不同星系團(tuán)的X射線圖（粉紅色）和總物質(zhì)圖（藍(lán)色）表明，正常物質(zhì)和引力效應(yīng)之間有明顯的分離，這是暗物質(zhì)的一些最有力的證據(jù)。盡管超對(duì)稱性為暗物質(zhì)提供了一種可能的解釋，但它很難是唯一的理論。許多人希望它是解決的辦法，但是并沒(méi)有檢測(cè)到它預(yù)言的粒子，這就構(gòu)成了強(qiáng)有力的反駁。[來(lái)源：

X-RAY: NASA/CXC/ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE, SWITZERLAND/D.HARVEY NASA/CXC/DURHAM UNIV/R.MASSEY; OPTICAL/LENSING MAP: NASA, ESA, D. HARVEY (ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE, SWITZERLAND) AND R. MASSEY (DURHAM UNIVERSITY, UK)]

關(guān)于超對(duì)稱性，科學(xué)家分為兩個(gè)非常不同的陣營(yíng)。一方面，有一大群人（既有理論學(xué)家也有實(shí)驗(yàn)學(xué)家）用證據(jù)說(shuō)話，尋求這些謎團(tuán)的其他解釋，負(fù)責(zé)任地更加嚴(yán)格地限制其可行的范圍。在近兩代人里，這個(gè)理論在一個(gè)物理分支領(lǐng)域里占據(jù)著主導(dǎo)地位，排除它也將是科學(xué)的巨大進(jìn)步。

但另一方面，有很多強(qiáng)有力的人（主要是理論學(xué)家）將永遠(yuǎn)相信超對(duì)稱性，特別是電弱尺度下的超對(duì)稱性，而不管證據(jù)是什么。然而，對(duì)于LHC碰撞的每一個(gè)新的質(zhì)子，我們一次又一次地得到相同的答案：沒(méi)有超對(duì)稱性。不管我們是多么經(jīng)常地自欺欺人，也不管有多少科學(xué)家被愚弄，大自然是實(shí)在性的最終裁判，實(shí)驗(yàn)不會(huì)說(shuō)謊。到今天為止，還沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持超對(duì)稱性。