粒子物理学

超对称性,危机中的理论?

超对称理论有望更好地理解基本粒子的世界。但是在最近的实验中没有出现超对称的迹象。 塞恩. Cette idée sé她冒险吗être abandonnée ?

约瑟夫·莱克肯(Joseph Lykken)和玛丽亚·斯皮罗波鲁(Maria Spiropulu) 对于科学N°440
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2012年的这个夏天早晨,黎明时分,当视频链接建立时,我们已经是第三代意式浓缩咖啡。我们可以开始我们的定期团队会议之一 剃刀,我们在加州理工学院和我们的同事 欧洲核子研究组织 在日内瓦。该小组由负责分析来自特定目标的某些数据的物理学家组成。 大型强子对撞机 (大型强子对撞机或大型强子对撞机)。该团队对CMS(紧凑型μ子电磁阀)实验中心的高能质子碰撞的结果特别感兴趣,以寻找所谓的外来事件,这些事件将提供超对称性的第一个证据。这个大约45年前发展起来的物质理论应该解决粒子物理标准模型的一些基本问题,并解释宇宙神秘暗物质的性质。然而,尽管进行了数十年的研究,但迄今为止,还没有出现超对称性的实验证据。

欧洲核子研究组织团队负责人Maurizio Pierini 剃刀,显示了新数据图;在九个时区之外,我们可以看到房间里每个人的皱眉:这是一个异常。皮耶里尼说:“有人应该调查这次事件。”在几分钟之内,我们俩都在笔记本电脑上恢复了这次碰撞的全部记录。

超对称是一种有效且数学上优雅的解决方案,用于解释困扰物理学家很长时间的问题。该理论为一系列重要问题提供了答案。为什么粒子具有这些质量?为何力量具有这些强度?换句话说:为什么宇宙如此?另外,超对称性预测新粒子的存在,即我们所知道的粒子的“超级伙伴”,到目前为止还没有观察到。这些粒子可能构成暗物质,暗物质占宇宙中物质的85%,并且仅通过重力作用才能表现出来。

对于许多粒子物理学家而言,超对称理论必定是正确的,因此令人信服。他们希望 大型强子对撞机 将发现这些超级合作伙伴,这将证明其有效性。

当我们从上述碰撞中下载数据时,我们立即认为我们看到了超对称信号。从检测器中心向下射出的两个粒子射流。检测器看不到的粒子是否向上运动,也许是超级伙伴?但是对不同信号的详细分析很快使我们认为检测器出现故障。确实,这就是解释。

第一次行动的结果 大型强子对撞机 已经排除了几乎所有研究最好的超对称版本,那些超级伙伴比较轻巧的版本。到目前为止,这些负面结果并未引起粒子物理学的大规模危机,而是引起了广泛关注。的 大型强子对撞机 将于2015年初开始下一个活动,能量较高时会发生碰撞(14兆电子伏特),这将使研究人员能够进行实验 阿特拉斯内容管理系统 追踪(如果存在)超级合作伙伴比以前的模型重。如果在这项运动结束时,超对称性仍然消失,基础物理学将发现自己处于十字路口:由于缺乏证据而放弃整个世代的工作,或者坚持走同一条路,希望对撞机更多强大的一天将揭示与超对称性有关的粒子。

超对称性,必要的假设

科学史已经知道了长期而成功的探索-如果只是最近的发现, 大型强子对撞机 希格斯玻色子,用了近40年的时间。但是就目前而言,大多数粒子理论家对此感到不耐烦 大型强子对撞机 我们正在准备测试他们花了半个世纪才建成的理论建筑的基础。

在亚原子物理学中,我们有一个非常有效的预测理论,即标准模型,该模型描述了粒子及其相互作用。在这个基于量子场论(基于量子物理学和爱因斯坦的相对论的特殊理论)的模型中,物质由一种粒子即费米子组成(以意大利物理学家恩里科·费米命名) )。这些物质粒子相互作用 通过 交换了另一种粒子,玻色子(以印度物理学家Satyendranath Bose命名)。

标准模型很好地描述了在亚原子级发生的情况。自1970年代以来经过测试,没有发现任何缺陷。但是,当人们对标准模型的特征来源感到疑惑时,麻烦就开始了。例如,此模型指出存在三种不同类型的轻子(费米子):电子,μ子和tau。为什么是三个?为什么不选两个,四个或十五个呢?标准模型没有解释它。同样,一个人可能想知道为什么电子具有这样一个值的质量而没有另一个。例如,为什么它比希格斯玻色子轻?再次关于这个主题,标准模型什么也没说。

理论物理学家对这些问题有很多思考。他们建立了更基本的模型,其中的标准模型将是低能耗的体现。这些理论应该解释标准模型的工作原理以及确定其参数值的因素。例如,弦理论是许多其他探索的途径之一。

但是,所有这些更基本的模型都暗示着存在新的假设粒子。它们可能具有非常高的质量,因此很难在实验中创建它们。这可以解释为什么我们还没有发现它们 大型强子对撞机。但是这些似乎不可避免的颗粒由于它们对普通颗粒的影响而增加了困难。怎么样?或者是什么?答案在于量子怪异。

在量子场论中,粒子相互作用 通过 所谓的虚拟粒子的交换只有非常短暂的存在。例如,作为第一近似,通过两个电子之间的虚拟光子交换来描述两个电子之间的电排斥。在1940到1950年代,美国物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)设计了优雅的规则,以视觉上有意义的图表形式记录与这些过程相对应的计算。

但是在量子物理学中,任何不被严格禁止的事情都会发生,至少有时会发生。因此,电子可以彼此相互作用,也可以与所有非常大的粒子相互作用,这些粒子的存在可以通过标准模型的扩展来预测。但是,这些相互作用会带来困难-除非使用超对称之类的属性来解决它们。

让我们看看在希格斯玻色子的情况下这种问题如何表现出来。该粒子通过与其他基本粒子相互作用而赋予其质量。如果存在超重粒子,则希格斯玻色子也会通过虚拟粒子与它们相互作用。但是,希格斯玻色子通过虚拟互动获得了一部分自身质量。在超重粒子的存在下,它本身将变得超重。因此,我们所知道的所有粒子都必须是超重的,其后果对于宇宙来说将是灾难性的。我们都会成为黑洞。但是,这不是我们正在观察的。因此,有一种机制可以防止这种灾难。没有什么比超对称性更能解释为什么这种情况不会发生了。

超对称性的基本原理由对对称性与粒子物理学之间的关系感兴趣的物理学家在1970年代开发。严格来说,超对称不是理论,而是理论框架。许多模型称为超对称模型,因为它们基于相同类型的对称性。

在与粒子及其相互作用有关的物理定律中结合了几种经典对称性。确实,这些定律不应该取决于您的位置,所考虑的方向以及您的运动状态。在所有这些情况下,物理原理都是相同的,对称性保证了这一点。对于这些时空对称性(时间和空间上的平移对称性,旋转对称性)对应能量守恒定律,运动量和角动量。

对称规则

量子物理学似乎尊重所有这些对称性。科学家甚至使用对称性来预测新现象。例如,英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)在1930年表明,当我们将量子力学与狭义相对论结合时,时空的对称性意味着每种类型的粒子对应于一个反粒子(质量相同但带电荷对面)。当时这个想法似乎很疯狂,因为没有人观察过一种反粒子。但是实验表明狄拉克是正确的:基本粒子的动物园被分裂了。

超对称性理论基于与狄拉克相似的论点。它假定存在一个时空的量子扩展,称为超空间,相对于此,粒子具有对称性。

超空间不具有普通的空间尺寸(例如左右或上下),而是“费米子”尺寸。费米离子方向的运动非常有限。在普通的空间尺寸中,您可以向任意方向移动任意距离,而对步伐的大小或数量没有限制。相比之下,在费米电子尺寸中,您的步数被量化,一旦采取了某个步骤,您就达到了该费米电子尺寸的尽头。如果要采取更多步骤,则必须切换到另一个费米子尺寸或后退一步。

在费米子尺寸上迈出一步的玻色子变成了费米子。相反,一步之后,费米子变成玻色子。同样,如果粒子在费米离子维度上迈出一步然后回溯,则它将在普通空间或时间内移动了少量。换句话说,在超对称理论中,费米子尺度上的运动与普通时空中的运动错综复杂地联系在一起。

为什么这一切都很重要?因为在超对称世界中,费米离子尺寸之间的对称性限制了粒子相互作用的方式。特别地,所谓的自然超对称在很大程度上消除了虚拟粒子的影响。自然的超对称性可防止希格斯玻色子与最重的粒子发生相互作用,从而无需考虑即可增加其质量。超对称但非“自然”的理论需要找到互补的机制来抑制虚拟粒子的影响。因此,自然的超对称性为物理学家提供了解决标准模型难题的方法。

所有超对称理论都暗示每个玻色子都有一个铁离子伴侣粒子,一个“超级伴侣”,反之亦然。但是,没有一个已知的粒子是另一个粒子的超级伙伴。如果存在超对称性,则将发现标准模型所有粒子的超级伙伴。

这就是问题所在。在超对称(自然超对称)的最简单和最有效的版本中,超级伙伴不应比希格斯玻色子重得多。这意味着我们应该能够在以下位置检测到它们 大型强子对撞机。如果十年前有人问过物理学家这个问题,大多数人会预言到现在将有超级合伙人存在的证据。

追踪 大型强子对撞机 开始

但这种情况并非如此。我们中的一位玛丽亚·斯皮罗普鲁(Maria Spiropulu)记得2009年的那个晚上,她去了检测仪的轮班主管一职。 内容管理系统 午夜前不久。在控制室中,一群物理学家每个都追踪了庞大,复杂的14,000吨探测器的子系统。凌晨两点,她接到了 欧洲核子研究组织 在戒指的另一侧 大型强子对撞机 27公里长:他们将进行有史以来最高的质子碰撞。

她发出信号以小心激活检测器的每个部分。屏幕墙开始变得栩栩如生,超快的电子设备不断闪烁,以加速地下100米每秒发生2000万次碰撞的速度。在对撞机上跟踪超对称十年后 Tevatron 她来自美国费米实验室(Fermilab),她的内心为认识超对称的某些特征模式而感到震惊。通过目视检查来分析碰撞是很诱人的,但是不可能以此方式进行发现。彼此难以推理,保持镇定!但是她知道那仅仅是开始。

而且,当您用巨型探测器建造一个价值70亿美元的对撞机时,您不会在期望发现第一夜甚至第一年发现它的时候就打开它。但是,斯皮罗普鲁先生和他的同事们从一开始就寄予厚望。

当然 内容管理系统 (及 阿特拉斯),他们已经拟定了一份详细的分析计划,以便对 大型强子对撞机 发现超对称性。他们已经准备好以超对称信号检测暗物质粒子,这些暗物质粒子不是直接可见的,而是“丢失能量”的形式:暗物质不与检测器相互作用,但会带走一部分能量。碰撞的总能量,这表明了碰撞的存在(其他类型的实验跟踪的是暗物质, 见图3)。我们甚至写了一篇草稿宣布这一发现。

之所以写这篇文章,是因为 大型强子对撞机 仍然没有找到任何东西。他们以系统和严格的方式进行工作,这使他们能够排除许多可能的情况。超级伙伴不能太轻率,因为它们已经被突出显示了。并假定它们不能太重,因为这样它们将不满足消除虚拟粒子的讨厌效果的必要标准。如果 大型强子对撞机 在他的下一个竞选活动中没有发现它们,物理学领域的危机将会加剧。

尽管有这些困难,理论家们仍然不愿意放弃超对称性,即使他们不得不退缩到一个更通用的版本上,该版本不具备人们对自然超对称性的所有期望。让我们回顾一下,超对称首先是一个允许开发粒子世界模型的框架,而不是本身的模型,因此即使排除了所有当前模型,未来的数据也可以支持超对称的想法。 。

美国普林斯顿大学高级研究所的物理学家尼玛·阿卡尼·哈默德(Nima Arkani-Hamed)在一次演讲中解释了超对称的未来可能是什么:“如果我们在超对称性上找不到痕迹, 大型强子对撞机,那么理论家将建立新的超对称模型,从而将超级合作伙伴置于实验无法实现的范围内。 ”

这种对超对称的坚定忠诚是共享的。但是,粒子物理学家承认,自然超对称的想法已经很着急了,如果我们不尽快找到超对称性,它将最终落入历史的垃圾箱。

如果超对称不能描述世界怎么办,有哪些替代方案?正如我们已经解释的那样,标准模型提出了未解决的问题,例如希格斯玻色子质量的稳定性以及为什么它不会变得很大。因此,有必要冒险超越标准模型。这是三个可能的途径。他们都以根本不同的方向引领着基础物理学和宇宙学的思考。

第一种方法是调用多重宇宙:我们的宇宙只会是非常庞大的一个。为什么会有这个主意?基本力的强度和粒子质量的值涉及起源是个谜的数字。这些数字的最小变化将导致一个完全不同的宇宙。例如,使用其他值(即使略有不同),原子将不稳定并且无法显示生命。用理论物理学术语来说,宇宙是“微调的”。我们可以尝试以超对称的方式解释这些值,或者认为它们是偶然的结果。这个想法不是很令人满意,但是如果假设一个多重宇宙它会变得更具吸引力。

在这种情况下,“大爆炸”不仅产生了我们看到的宇宙,而且还产生了许多其他我们看不到的宇宙。在这种情况下,将回答诸如“为什么电子具有这种质量?”之类的问题。就像是“只是机会,多重宇宙的其他部分具有不同质量的电子”。这些所谓的细微调整使我们非常感兴趣,这只是宇宙历史的偶然。只有那些参数具有与生命的发展相称的正确值的宇宙,最终才会包含物理学家,这些物理学家会惊讶地发现,在宇宙中没有自然的超对称性。 大型强子对撞机.

对于许多物理学家而言,多重宇宙假设令人担忧,并且太接近粒子物理学异常归因于“隐形天使之军”的想法。正如美国物理学家和诺贝尔奖获得者戴维·格罗斯(David Gross)所说,在初始条件不明的情况下呼吁多元宇宙有点像“承认失败并丢下毛巾”。

哈佛大学的Lisa Randall和马里兰大学的Raman Sundrum探索了获取标准模型参数值的另一种可能性。这两位物理学家表明,与其他已知力相比,呈现“扭曲”几何形状的附加尺寸可以解释重力的弱点。如果这些附加尺寸是微观的,我们可能还没有注意到它们,但是它们的大小和形状可能在高能粒子物理学中起重要作用。

在这些模型中,与其在 大型强子对撞机,我们可以发现Kaluza-Klein模式,这些重质奇异粒子的质量实际上对应于其额外维度的运动能量。

最后,有可能不惜一切代价消除虚拟粒子的影响,就像超对称一样,不是一个好主意。一种新方法是将这些效果整合在一起,以解释质量的来源。这个想法类似于物理学家计算质子质量时发生的情况。该粒子不是基本粒子。它是由三个夸克(质量很小)和胶子(质量为零)组成的组件。但是质子比组成它的夸克和胶子的总和重得多。这种物质从哪里来?它来自与强相互作用相关的场能量,可确保质子的凝聚力。我们对这些场的理解使我们能够准确地预测质子的质量。

通常,我们可以从其他质量中计算质量。但是,标准模型无法预测希格斯玻色子的质量-我们必须对其进行测量。人们可以计算出质子的质量,而不是希格斯玻色子的质量,这似乎令人惊讶。根据费米实验室的物理学家威廉·巴丁的工作,一些理论家认为,希格斯玻色子的质量是由类似于质子的过程确定的,这称为尺寸变。

这种方法可以保留虚拟粒子的有用效果,同时避免造成灾难性的后果。另一方面,它需要放弃通过超对称传达的某些其他思想,例如统一高能物理定律。量子物理学与广义相对论之间的联系已经使我们迷惑了很久,这之间的联系变得更加神秘。但是,该模型还具有其他优点,特别是建议使用暗物质的模型。它的质量将由它与普通物质的相互作用产生,这些相互作用将由希格斯玻色子传达。这个惊人的预测将在 大型强子对撞机 以及在地下暗物质探测实验中。

超对称还没有说完。一些线索表明,它仍然可能符合物理定律。在最近的观测中,我们可以唤起希格斯玻色子质量的作用及其对宇宙稳定性的影响。

希格斯玻色子的发现意味着宇宙中到处都有与该粒子相关的场。粒子与该场的相互作用使它们具有质量。这意味着真空实际上是发生很多事情的地方,希格斯场和虚拟粒子的组合会产生复杂的动力学。但是这种动态稳定吗?如果只是暂时的,我们说的是亚稳态平衡。然后,希格斯场可能会经历“相变”并切换到更稳定的配置。与场相关的能量将改变值以及所有粒子的质量和宇宙的物理学,从某种意义上说,这将从零开始。超对称有助于稳定真空并防止发生此类事故。

不确定的未来

在没有超对称性的情况下,真空的稳定性在很大程度上取决于希格斯玻色子的质量。但是,我们测量的质量对应于边界,这意味着持续的真空,但最终不稳定。希格斯玻色子较重意味着宇宙稳定,而希格斯玻色子较轻最终将导致灾难。大自然试图告诉我们一些事情,但是我们不知道什么。

因此,物理学家正在等待下一个结果 大型强子对撞机。如果观察到超级伙伴,目前对粒子物理学家的恐惧将让人们为最终打开超对称世界的突破口而感到兴奋。这将是一次伟大的智力冒险的开始。

但是,如果找不到这些超级合作伙伴,粒子物理学将面临危机。这种观点已经激发了对构成宇宙结构的现象的全新思考。更好地理解希格斯玻色子的性质对于建立新路径至关重要。暗物质的天体和宇宙学信号可以为我们指明前进的方向。

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