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讓人對超對稱性理論產生懷疑《世界科學》
理論雖然完美? 實驗數(shù)據(jù)卻不相配
——LHC的最新結果讓人對超對稱性理論產生懷疑
馮詩齊/編譯
LHC中的ATLAS探測器在尋找預言中的基本粒子的“超級搭檔”之努力是否已告失�。�
“出色、美麗、獨特”，這是戈登·凱恩(GordonKane)對超對稱性理論的贊嘆詞。凱恩是密歇根大學安阿伯分校的理論物理學家，已經對超對稱性理論研究了將近30年。他和其他許多人都相信，這個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。
“超級粒子”是否存在？
不過，近來對超對稱性理論的擔心在逐漸增長。盡管這個理論優(yōu)雅而簡潔，但它有可能是錯的——從跨越法-瑞邊界的大型強子對撞機（LHC）的一個質子加速器獲得的數(shù)據(jù)中，沒有絲毫跡象顯示該理論所預言的“超級粒子”的存在�！拔覀冋诎殉瑢ΨQ性逼入困境，”正在為LHC的ATLAS探測器工作的英國劍橋大學粒子物理學家克里斯·萊斯特(Chris Lester)說。事實上，為配合LHC的緊湊型μ介子螺線管實驗，ATLAS去年一整年都在尋找超級粒子。盡管LHC在接下來的幾周時間里以高能態(tài)運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粒子的話，那么這個理論就會遇到一系列麻http://m.dameics.com煩。
超對稱性理論是為了彌補粒子物理標準模型的缺陷于1970年代引入的一種方法，它描述了構成普通物質的基本粒子的表現(xiàn)方式(參見‘基本粒子大家族’一圖)�？茖W家現(xiàn)在已找到了由標準模型預測的除希格斯-玻色子以外的每一種粒子——理論上認為其他粒子的質量是由希格斯-玻色子賦予的。
希格斯是超對稱性理論的關鍵所在，但其預報的質量容易受到來自于其他基本粒子量子效應原始波動的干擾。事實上，這種波動會增大希格斯預報的質量，超過其他基本粒子的實際大小而突破標準模型。盡管理論物理學家們可以從他們的方程組中消除波動的影響，但也只能通過將希格斯的質量設置為非常精準的值——一旦質量調重或調輕了，就會使整個理論大廈崩潰。因此，許多物理學家對這個需要如此小心翼翼加以微調處理的理論感到不自在。
然而，超對稱性為這種‘微調’提供了一種替代辦法。該理論假設，每一個普通粒子都擁有一個較重的超對稱“搭檔”，它們中的許多都是不穩(wěn)定的，并且很少同普通物質發(fā)生交互作用。因此，超對稱粒子的量子波動可以完美地與普通粒子平衡，將希格斯-玻色子調整到一個可接受的質量范圍內。
理論物理學家還發(fā)現(xiàn)超對稱性可以解決其他的一些問題。比如，某些質量最輕的超對稱粒子可能就是難以捕捉的暗物質，它們自1930年代以來就被宇宙學家所孜孜苦求。盡管它們從未被觀察到，然而，根據(jù)對星系運動的觀測所知，宇宙物質中超過83%是由暗物質所構成。
除重力以外，超對稱性理論還能用來將所有的力在高能狀態(tài)下結合在一起，其最關鍵的一步是邁向統(tǒng)一和解釋所有已知物理量的“萬有理論”——這也是科學的最終目標之一�；蛟S對某些理論物理學家而言，最重要的事情就在于此。誠如劍橋大學理論物理學家本·阿拉納思(Ben Allanach)所言：“超對稱是異常美妙的數(shù)學”。
超對稱大廈岌岌可危？
然而，LHC在尋找超對稱性理論所預言的超粒子的直接證據(jù)迄今沒有任何進展，包括伊利諾伊州巴達維亞費米國立加速器實驗室的Tevatron粒子加速器，在質量高達379千兆電子伏特時也未發(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量較重范圍內存在的可能性，盡管這么做可能會帶來一些負面問題：即超粒子大量增加時難以完美地消除可以校正的量子波動。理論物理學家雖然可以照樣進行他們的超對稱研究，但只能對超粒子假設一個非常特定的質量——這種微調操作是創(chuàng)立該理論時應該避免的。一旦LHC收集到更多的數(shù)據(jù)，超對稱性理論需要進行更多地干預，以便對粒子質量進行微調。
到目前為止，LHC已對Tevatron粒子加速器所設定的質量限制幾乎翻了一番，在能量高達700千兆電子伏特時仍未發(fā)現(xiàn)超夸克。到今年年底，當LHC的能量達到1000千兆電子伏特時，屆時是否會排除掉對超對稱性理論的一些負面評論。
“我不想說我很擔心，”位于日內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。他對超對稱已經研究了幾十年，并說他會一直等到2012年底——LHC再次以高能態(tài)運行結束為止——決不會輕易放棄對超對稱性理論的研究。包括法國南巴黎大學的理論物理學家亞當·福爾科瓦斯基(Adam Falkowski)也認為，探測結果并沒有相關證據(jù)表明超對稱性理論已經死亡，并稱超對稱效應在數(shù)學上的優(yōu)雅已經為這朵“鮮花”灌注了“宗教般的虔誠”。
“私下里，許多人感到超對稱性理論的未來處境不妙，”意大利比薩大學理論物理學家亞歷山德羅·斯特魯米亞(Alessandro Strumia)說，他最近撰寫了一篇有關LHC的最新結果對微調問題造成的沖擊的論文�！澳壳霸谖覀冞@個領域里，超對稱研究如同一個重大的政治議題，”他說，“對一些偉大的物理學家而言，獲得諾貝爾獎和花費畢生精力卻走錯了路，兩者之間可有天壤之別�！卑＠箤Υ吮硎举澩骸爸两裎乙褜ζ溲芯苛私�30年，我能想象某些人可能會產生一些焦慮情緒�！�
“如果我們發(fā)現(xiàn)不了超對稱”，萊斯特說，“很多事情就會發(fā)生變化�！被蛟S理論物理學家將不得不返回原地，重新尋找一種代替的方法來解決標準模型的問題。接著他補充說，這也并不一定就是一件壞事，“粒子物理作為一個整體將會真正的被激發(fā)。”
[資料來源：Nature][責任編輯：則 鳴]
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