超对称,让我们更接近万物理论
消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间:2024-05-14
原文标题:《我们只发现了一半的物理吗》
物理学有一个最终目标:找到一些相关的基础理论,然后结合在一起形成一个万物理论。到目前为止,我们最接近万物理论的是粒子物理学的标准模型,这个理论背后的方程式是我们在物理学中所拥有的最准确的方程式。但是,还有很多东西是理论无法解释,比如暗物质、暗能量和引力的量子理论。
有一个理论思想,许多人它认为可以让我们更接近万物理论,并可以填补标准模型的几个空白。这个理论被称为超对称,它是物质粒子和携带力的粒子通过一种新的对称性连接的想法。尽管没有实验证实这种对称性,但它仍然很重要,因为在物理学中,对称性可以被打破,超对称性被打破仍然可以解释很多事情。
如果超对称性是真的,它可以解决我们目前对宇宙理解中的几个问题。例如,它可以解释希格斯玻色子的质量为什么那么小,它可以将三种基本力结合起来:电磁力、强力和弱力,它可以为难以捉摸的暗物质粒子提供完美的候选者。那么,到底什么是超对称呢?为什么对称性在我们寻找万物理论的过程中很重要?
超对称
超对称(SUSY)是标准模型中物质粒子(费米子)和力粒子(玻色子)之间的对称性,这两种粒子之间的主要区别是自旋。标准模型中费米子的自旋为 1/2,而标准模型中所有玻色子的自旋为 0 或 1。费米子遵循的规则是,它们不能在同一时间以相同的自旋处于同一位置,这就是泡利不相容原理。但这个规则不适用于玻色子,因为许多相同的玻色子可以出现在同一位置。
如果你看一些标准模型,你会发现物质粒子比携带力的粒子多得多,宇宙是否偏爱物质而不是允许相互作用的力?由于标准模型充满了对称性,对许多物理学家来说,似乎费米子和玻色子之间的基本对称性也应该存在。所以他们用超对称来描述物质和力之间的对称性。
超对称理论虽然有许多不同的版本,但其基本概念都一样:每个粒子都有一个镜像粒子或超对称对应粒子。每个镜像粒子都是相反类型的,例如费米子的镜像粒子都是玻色子,同样玻色子的镜像粒子都是费米子。通过超对称的这个简单概念,我们可以为标准模型带来平衡,这样我们就有了与相同数量的玻色子和费米子费米子。
你可能会问这一切的意义是什么?玻色子和费米子的数量相等真的很重要吗?我们真的需要这样的对称性吗?简单的回答是,如果它是正确的,它将帮助我们更好地理解宇宙。
超对称好处
早在 80 年代,物理学家就已经开始注意到标准模型的一些问题。一般来说,超对称将解决三个问题:一是它可以解决希格斯玻色子的低质量问题,二是它可以统一三个基本力 -- 电磁力、强力和弱力,三是它提供了暗物质的解决方案。
第一个问题简单来说就是希格斯玻色子的质量看起来不自然。希格斯粒子的质量为 125GeV,从理论上讲,这似乎不太可能。为什么呢?这与量子校正如何影响希格斯玻色子的质量有关。我们可以写出希格斯玻色子的质量,如下图所示。m_measure 是一个测量质量,这是我们可以在实验中测量的。m_corrections 是根据标准模型的方程计算的质量校正。m_0 是一个调谐参数,称为裸质量,标准模型没有告诉我们这个裸质量应该是多少。
我们从大型强子对撞机的实验中得到 m_measure,问题是当我们使用标准模型的方程计算 m_corrections 时,结果却比测量到的质量大好几个数量级。基于此,m_0 需要与 m_corrections 在数值上相等,但符号相反。换句话说,m_0 参数需要如此之高,以至于它几乎完全抵消了理论计算的巨大量子校正,m_0 的高值似乎很不自然,所以我们才需要其他理论来进行微调。
这就是超对称发挥作用的地方,它可以更好地解释希格斯的测量质量的问题。来自超对称的额外粒子,可以抵消这些非常大的量子校正,因为玻色子与费米子相比贡献了相反的希格斯质量,如下图方程所示。
接下来是力的统一问题,物理学家认为,在某些基本层面上,所有力是统一的,并且有一些理论统一了力并以统一的方式解释物理学。标准模型的每个力都有一些反映力强度的耦合常数,这些耦合常数实际上并不恒定,因为它们会在较高温度下发生变化。物理学家预计耦合常数应该在某个非常高的温度下联合起来,因此在某个点上,不同力的不同耦合常数应该在标准模型中变得相等。
最初的标准模型似乎不能达到这个要求,但是从超对称中添加额外的粒子可以 改变耦合在较高温度下的变化方式,使它们可能在某个点统一。这是因为耦合的温度依赖性取决于理论中的粒子数量,而超对称性至少会使理论中的粒子数量增加一倍。
暗物质可能是一种稳定的电中性的粒子,尚未发现的超对称粒子可能是暗物质的候选者。
找到超对称了吗
理论说得这么好听,那么为什么我们还没有发现任何超对称粒子?第一个原因可能是因为粒子太重,以至于我们无法在最好的加速器中产生它们。第二个原因是,如果它们确实是暗物质粒子,那么它们一定是弱相互作用的大质量粒子。所以我们可以产生它们,但却没有检测到它们,因为它们的相互作用非常微弱。
虽然超对称的概念非常好,可以解释一些重要方面。但随着时间的流逝,物理学认为它越来越不可能是正确的,因为我们到现在为止连它的影子都见不到。
本文来自微信公众号:万象经验 (ID:UR4351),作者:Eugene Wang
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