物理

超對稱玩完了?

數十年來,物理學家一直醉心於超對稱這個美麗的理論,並相信超對稱能夠引領他們對於量子世界有更深刻的理解。現在他們來到了十字路口:如果不能在未來幾年內證明超對稱是正確的,就得面對劃時代的典範轉移。

撰文/利根(Joseph Lykken)、史皮羅普路(Maria Spiropulu)
翻譯/高涌泉

物理

超對稱玩完了?

數十年來,物理學家一直醉心於超對稱這個美麗的理論,並相信超對稱能夠引領他們對於量子世界有更深刻的理解。現在他們來到了十字路口:如果不能在未來幾年內證明超對稱是正確的,就得面對劃時代的典範轉移。

撰文/利根(Joseph Lykken)、史皮羅普路(Maria Spiropulu)
翻譯/高涌泉

重點提要
■物理學家喜歡極其美妙的超對稱,因為超對稱可以解決他們想進一步了解量子力學時遇到的問題,也可能解決宇宙中懸而未決的暗物質之謎。
■超對稱假設,每個已知的粒子都有個相伴的超伴子,但至今還未發現任何一個超伴子。
■物理學家希望在大強子對撞機(LHC)的實驗中發現超對稱的證據,然而尚未成功。如果LHC在下一輪運轉時還是看不到證據,超對稱就麻煩大了。
■找不到超伴子成了物理學的危機,迫使研究人員質疑數十年以來依賴的假設。

當我們在美國加州理工學院辦公室裡喝著第三杯濃縮咖啡時,與瑞士日內瓦附近歐洲核子研究組織(CERN)實驗室的視訊也連線上了,那時正是2012年夏季的某個清晨。我們在螢幕上看到「剃刀」(Razor)小組的同事,這個團隊是分析緊緻緲子螺管偵測器(CMS)實驗數據的團隊之一,而CMS是CERN大強子對撞機(LHC)的兩座偵測器之一。剃刀小組的任務是尋找那些能夠證實超對稱理論的特殊碰撞事件,這個發展至今已有45年的物質理論可以取代粒子物理的標準理論、解決物理學中的深刻問題,並解釋宇宙中神秘暗物質的本質。但經過幾十年的搜尋,物理學家仍未發現任何超對稱的實驗證據。

CERN的剃刀小組組長皮瑞尼(Maurizio Pierini)展示了一張新的數據圖,而在九個時區之外的我們可以看到房間內每個人的驚訝神情,這表示出現了異常狀況。皮瑞尼沉穩地說:「大夥必須察看一下這個事例。」他所謂的「事例」指的是LHC產生的數兆次質子–質子對撞中的某次特定對撞。幾分鐘內,我們就從筆記型電腦中看到了這次碰撞事例的完整記錄。

超對稱是一個極其美妙的解,解決的是困擾物理學家長達40年的深刻問題。它回答了一連串重要的「為什麼」:為什麼粒子有它們所具有的質量?為什麼交互作用有各自的強度?簡而言之:為什麼宇宙是這個模樣?此外,超對稱還預測,宇宙充滿了至今還沒發現的「超伴子」粒子,這些粒子可以解決暗物質之謎。如果說「世界上多數粒子物理學家相信超對稱必定是正確的」,一點也不誇張,因為這個理論太令人信服了。這些物理學家長久以來的期盼是:LHC終究會發現這些超伴子,證明超對稱是實際描述宇宙的明確證據。

當我們把這個有趣的碰撞事例拿出來檢查時,就馬上看出它似乎正是超對稱的證據,因為有兩群非常高能量的粒子往一個方向跑,顯然是從某個隱形粒子反彈出來的,或許這個隱形粒子是個超伴子?不過我們也立即在實驗數據圖中注意到一個很大的紅色尖峰,難道之前看到的只不過是偵測器失常而產生的假訊號?後來我們發現確實如此,這是在尋找超對稱似乎無止盡的過程中,再一次令人失望的例子。

的確,LHC第一輪運轉的實驗數據幾乎排除了所有最看好、研究最澈底的超對稱理論版本,這些負面的結果就算沒有在粒子物理中導致全面性的危機,也引發了廣泛的驚慌。LHC將在2015年初以原始設計的最高能量開始下一輪運轉,這可以讓超導環場探測器(ATLAS)與CMS的兩群實驗團隊去找出(或排除)更重的超伴子。如果在那輪運轉之後,物理學家還是沒有發現新粒子,基礎物理就來到了十字路口:要不就因為找不到大自然會依循我們的規則行事的證據,而放棄一整個世代的研究;要不就堅持下去,然後期盼有一天,一座更大的對撞機終將發現超對稱的概念其實還是行得通的證據。

當然,科學史中有很多經歷很長時間的研究之後才獲得成功的例子,不久之前LHC發現追尋已久的希格斯粒子即是一例。但是目前多數粒子理論學家還是坐立不安,因為他們在過去半世紀建立起來的巨大理論殿堂,其基礎將受到LHC數據的檢驗。


得不到答案

理論學家一直想要了解奇異量子世界的神秘之處,超對稱便是其中一環。關於次原子物理,我們已有一項非常成功且具預測能力的理論,稱為標準模型。它結合了量子力學與愛因斯坦的狹義相對論,以便描述基本粒子及其交互作用。在這項理論中,物質是由一類稱為費米子(以物理學家費米為名)粒子組成,這類粒子可以利用 另一類稱為玻色子(以物理學家玻色為名)粒子提供的交互作用而結合在一起。

雖然標準模型提供了對於次原子世界現象極佳的描述,然而一旦我們想要追究標準模型何以具有它擁有的特色,就開始遇上麻煩。例如,標準模型有三類輕子(費米子的一種):電子、緲子與τ子;但為什麼是三類?為什麼不是兩、四或15類?標準模型給不出答案,我們需要更深入探索自然才能找到答案。同樣地,我們想要了解電子的質量是怎麼決定?例如它何以會比希格斯粒子質量更小?對於這個問題,標準模型還是給不出答案。

理論粒子物理學家花了很多時間思考這類問題,他們建構許多模型以說明標準模型何以是如此的模樣。弦論就是這種想要更深入理解自然的一個例子,其他例子還很多。

不過這些理論都有個問題:任何涉及新物理的理論(例如弦論)都必然假設了新粒子的存在。這些新粒子可能具有極大的質量,以便解釋我們何以還沒在LHC這種加速器中看到它們,因為大質量粒子很難產生。不過即使是質量很大的粒子,還是可以影響一般粒子,例如希格斯玻色子,為什麼?因為奇異的量子效應。

在量子力學中,兩個粒子的交互作用是透過交換所謂的虛粒子,虛粒子會在真空中出現又消失。例如,在第一階近似下,兩個電子之間的相斥庫侖靜電力來自電子交換一個虛光子。物理學家費曼(Richard Feynman)提出了優美的規則,以穩定粒子與額外虛粒子的交互作用做為基礎,來描述量子效應。

然而在量子物理中,任何沒有被絕對禁止的過程就一定會發生,起碼偶爾會發生。電子不僅透過交換虛粒子而相互作用,它們也會和所有其他粒子交互作用,包括任何超越標準模型的新理論中假設的新粒子。但是這些額外的交互作用會惹來麻煩,除非物理學家發現類似超對稱的自然定律。

以希格斯粒子為例,它在標準模型中與基本粒子獲得質量的機制有關。如果除了希格斯粒子之外,還存在某些質量極大的粒子,它們也會藉由虛量子交互作用而彼此影響,使得希格斯粒子變得很重。一旦如此,宇宙中所有粒子也會變成非常重的粒子,而你和我會塌縮成黑洞。當然我們並沒有變為黑洞,我們需要理解為何如此,而超對稱正是最佳解釋。


超對稱世界

超對稱(一般暱稱為「SUSY」,唸成「蘇西」)的基本想法在1970年代出現,是由一群物理學家發展出來,他們對於粒子物理學與對稱的關係深感興趣。超對稱不是某項特定理論,而是一種理論架構,許多不同的宇宙模型都可以稱為超對稱理論——只要它們具有某些性質。

有很多一般的對稱已經包括在粒子與交互作用的物理定律之中:這些定律不論你在哪裡、你在什麼時候做測量、你面向什麼方向,或者相對於你正在觀察的物體,你是否正在運動或是靜止。我們可以從這些時空對稱性出發,以數學推導出能量、動量與角動量守恆律,我們也可以從對稱本身推導出能量、動量與質量的關係,例如E=mc2。這一切自愛因斯坦於1905年發展出狹義相對論之後,就已經了解得相當澈底了。

量子物理似乎依舊遵守這些對稱律,科學家甚至透過這些對稱律來預測新現象。例如,狄拉克在1930年證明,當物理學家把量子力學與狹義相對論結合,時空對稱性要求每個粒子皆有反粒子,反粒子所帶的電荷恰與粒子的電荷相反。當狄拉克提出反粒子概念時,物理學家還沒看過反粒子,因此這個想法似乎是一個瘋狂的點子。然而狄拉克是對的,他的對稱性論證導致大膽但正確的預言,也就是基本粒子的種類大約是物理學家預期的兩倍。

超對稱依據的論證和狄拉克的類似,它假設存在一種量子方式可以把四維時空推廣成所謂的「超空間」(superspace),而且粒子在這個超空間中是對稱的。

超空間在一般空間維度(例如左右與上下)之外,還有額外的費米子維度(fermionicdimension)。在費米子維度中的運動會受到非常大的限制:在一般空間維度中,你可以朝任何方向前進任何距離,也就是你前進的步伐大小與步伐數都不受限制;但是在費米子維度中,你的步伐是量子化的,一旦你沿著費米子維度跨了一步,這個維度就「滿了」,也就是你無法跨出第二步。你如果想要再多跨一步,就必須換到另一個費米子維度,或倒退一步。

如果你是一個玻色子,在費米子維度前進一步會把你變成一個費米子;如果你是一個費米子,在費米子維度前進一步會把你變成一個玻色子。此外,如果你在費米子維度前進一步,然後再退一步回來,你會發現自己在一般的空間或時間維度上移動了某個最小的距離,因此費米子維度上的運動與一般運動以複雜的方式聯繫在一起。

為什麼這些現象是重要的?因為在超對稱世界中,跨越費米子維度的對稱限制了粒子如何交互作用。尤其是所謂的「自然性超對稱」(natural supersymmetry)會嚴重抑制虛粒子的效應,因此自然性超對稱能防止那些會讓我們全部塌縮成黑洞的希格斯粒子與高能量粒子相互作用。(那些「非自然性」的超對稱理論需要我們提供額外的機制來抑制虛粒子。)自然性超對稱為物理學家開了一條路,以發展新點子去理解標準模型。

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