来自 科技 2022-05-09 10:10 的文章

可爱颂歌词中文意思 为什么超对称可能是粒子物理学史上最失败的预言?

来源:返朴     ID:fanpu2019

撰文 | Ethan Siegel

翻译 | 姬扬

超对称是基本粒子理论中一个可能存在的数学结构,这一结构非常神奇。理论物理学家用它得出了一个比一个漂亮的结果。但这么漂亮的数学结构,是不是真的描写了我们这个宇宙的基本粒子?我们这个宇宙的基本粒子理论是不是真的是最漂亮的?目前的实验给出的答案是:否。我们也许需要更高能的实验才能发现超对称。也可能,超对称根本不存在。

高能粒子彼此碰撞,产生大量新的粒子,可以用探测器看到。通过重构每个粒子的能量、动量和其他性质,我们可以推断发生碰撞的粒子及其产物。自Wess和Zumino首次提出超对称性以来已经快50年了,但是还没有观测到任何超对称粒子。(来源:FERMILAB)

有时候,理论物理学会产生深奥的想法。如果某个想法一举解决了一系列疑难问题、同时给出新的可以检验的预测,就一定会引起极大的兴趣。它不仅提供了潜在的前进之路,还能吸引人们的想象力。如果它的预测得到证实,就可以开启对宇宙的全新认识。

当物理学家遇到超对称性(supersymmetry, SUSY)的时候,情况恰恰如此。没有人知道,在标准模型里,基本粒子的质量为什么比普朗克质量小得多?基本常数为什么不统一?暗物质可能是什么?超对称性理论对每一个问题都给出了答案,还预言了很多的新粒子。大型强子对撞机(LHC)的第二轮实验已经结束了,但是并没有发现那些粒子。用超对称性解决这些问题的梦想已经破灭,物理学家必须面对这个现实。

标准模型的夸克和轻子的质量。在标准模型里,最重的粒子是顶夸克;最轻的是电子(不算中微子),其质量是511 keV/c2。中微子比电子至少要轻400万倍:这比其他粒子之间的差别大得多。在能量尺度的另一端,普朗克能量(1019 GeV)大得令人不安。我们不知道有什么粒子比顶夸克还重。(来源:HITOSHI MURAYAMA OF )

超对称性的动机可以追溯到量子力学的早期和电子的问题。电子是个问题,因为它没有大小——它是一个点粒子,但确实有电荷。只要有电荷,就会产生电场和电势。因为它本身有电荷,所以就能感受到自己产生的电势:电子存在的本身就导致了固有的能量。电子越小,其内部能量就越大。这意味着,如果电子真的是点粒子,其能量就必定是无限大。

当然,事实并非如此。电子的固有能量是有限的,由它的静止质量和著名的爱因斯坦方程E=mc2决定。

量子场论计算得到的量子真空中的虚拟粒子(具体地说,针对的是强相互作用)。即使周围一无所有,这种真空能量也不等于零。粒子-反粒子对可以突然出现或消失,与电子这样的真实粒子相互作用,从而修正电子非常重要的自能。(来源:DEREK LEINWEBER)

根据电磁学定律,如果电子的大小使得它的电能量等于它的质量,就可以得到电子的直径约为5×10-15米,比质子还要大。显然,这是不对的!

解决的办法是存在反物质、特别是正电子(也就是反电子)。在量子物理学里,真空不空——真空不是一无所有、空无一物,而是由许多虚粒子组成,它们不停地闪现、幻灭,其中就包括电子-正电子对。

电子不仅能产生光子并使之与自己发生相互作用,还能与电子-正电子对涨落中产生的正电子一起湮灭,只留下“涨落”中产生的电子。计算表明,这两种贡献几乎抵消,使得电子的尺寸非常小,尽管它的电荷比较大。

在标准模型以外,当然还会有新的物理。但是,除非能量远远超过大型对撞机所能达到的水平,新物理也许并不会出现。无论这种猜测是否正确,我们只能试试看。与任何其他工具相比,未来的对撞机可以更好地研究已知粒子的性质。到目前为止,LHC揭示的任何事情都没有超出标准模型的已知粒子。(来源:UNIVERSE-REVIEW.CA)

“好吧,好吧,”你说,“这是量子宇宙的伟大胜利。但这和超对称性有什么关系呢?”

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