每日快訊!從夸克到膠子， 強(qiáng)子對(duì)撞結(jié)果為零， 超對(duì)稱性并不存在？

最近對(duì)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)結(jié)果的分析顯示，沒有證據(jù)證明超對(duì)稱理論。(圖片來源:核子研究中心)

(資料圖片)

超對(duì)稱性是指自然界的基本粒子通過一種深層的關(guān)系聯(lián)系在一起。這個(gè)理論在世界上最大的對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中預(yù)測了全新粒子的存在。但根據(jù)最近的一份報(bào)告，超對(duì)稱現(xiàn)象還未出現(xiàn)，因此這個(gè)理論似乎有些不可靠。

神秘的對(duì)稱亞原子宇宙由兩種基本粒子組成，費(fèi)米子(為了紀(jì)念物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米)和玻色子(以物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色的名字命名)。從本質(zhì)上講，費(fèi)米子是自然界的基石:夸克、電子、中微子。如果你放大你自己的細(xì)胞、分子和原子，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一堆費(fèi)米子在周圍嗡嗡作響，做著它們的事情。

相反，玻色子是自然界基本力的載體。電磁力由光子攜帶，光子是玻色子的一種。弱核力有三個(gè)玻色子來攜帶它，8個(gè)不同的玻色子共同作用產(chǎn)生強(qiáng)核力。引力有一種假想的玻色子，叫做引力子，但我們還不了解這種粒子。

我們也不知道為什么宇宙會(huì)分裂成這兩大陣營。為什么沒有更多的粒子“家族”呢?為什么費(fèi)米子有這些性質(zhì)? 為什么玻色子與力有關(guān)? 這兩個(gè)世界之間有什么聯(lián)系嗎?

超能粒子費(fèi)米子和玻色子之間可能存在某種聯(lián)系，這種聯(lián)系的名字叫做超對(duì)稱。數(shù)學(xué)對(duì)稱性在現(xiàn)代物理學(xué)中起著核心作用。正是通過發(fā)現(xiàn)這樣的數(shù)學(xué)關(guān)系，物理學(xué)家才能夠理解自然的力量和其他奇妙的想法，比如能量守恒。

通過尋找對(duì)稱性，物理學(xué)家可以更加深刻地理解世界。

在超對(duì)稱中，有一種新的數(shù)學(xué)關(guān)系將費(fèi)米子和玻色子聯(lián)系了起來。事實(shí)上，這不僅僅是一種聯(lián)系。超對(duì)稱性表明費(fèi)米子和玻色子實(shí)際上是同一枚硬幣(超對(duì)稱)的兩面。在玻色子家族中，每一個(gè)費(fèi)米子都有一個(gè)鏡像粒子，而在費(fèi)米子世界中，每一個(gè)玻色子都有一個(gè)孿生兄弟。

但事實(shí)上并沒有。

我們?cè)谟钪嬷锌床坏綄?duì)稱是因?yàn)閷?duì)稱被打破了。很久以前，當(dāng)宇宙溫度更高、密度更大的時(shí)候，這種對(duì)稱性可以存活下來。但隨著宇宙的膨脹，溫度降低并打破了對(duì)稱性，分裂了費(fèi)米子和玻色子。對(duì)稱性的打破導(dǎo)致所有的超對(duì)稱雙胞胎的質(zhì)量急劇膨脹。在粒子物理的世界里，你的質(zhì)量越大，你就越不穩(wěn)定。

進(jìn)入超對(duì)稱領(lǐng)域的唯一途徑是重建早期的宇宙環(huán)境。我們可以利用巨型粒子對(duì)撞機(jī)來重建環(huán)境。

ATLAS支撐著世界大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)，顧名思義，是一種巨型粒子對(duì)撞機(jī)。它能夠?qū)⒘Ｗ蛹铀俚浇咏馑?，然后將它們粉碎在一起，達(dá)到盡可能高的能量, 這是自大爆炸以來宇宙中從未出現(xiàn)過的情況。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的原理是通過在碰撞碎片中尋找超對(duì)稱粒子對(duì)存在的證據(jù)來尋找超對(duì)稱的跡象。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的探測器之一叫做ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)，意為“環(huán)形大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)設(shè)備”。全世界數(shù)百名科學(xué)家參與了ATLAS的合作項(xiàng)目，他們?cè)谝黄l(fā)表在預(yù)印本雜志arXiv上的論文中公布了他們?cè)趯ふ页瑢?duì)稱性方面的最新發(fā)現(xiàn)。

結(jié)果是什么呢? 沒什么結(jié)果, 零。

經(jīng)過多年的搜索和從無數(shù)次碰撞中積累的數(shù)據(jù)，沒有任何超對(duì)稱粒子的跡象。事實(shí)上，許多超對(duì)稱模型現(xiàn)在已經(jīng)完全被排除在外，只有極少數(shù)理論觀點(diǎn)仍然有效。

盡管幾十年來超對(duì)稱理論得到了理論家們的廣泛支持(他們經(jīng)常把它描繪成促進(jìn)我們理解宇宙的下一步)，但自從大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)啟動(dòng)以來，這個(gè)理論就一直如履薄冰。但是，盡管實(shí)驗(yàn)結(jié)果不達(dá)預(yù)期，理論學(xué)家們?nèi)韵Ｍ?，在?duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中，某種理論調(diào)整模型會(huì)產(chǎn)生積極的結(jié)果。

雖然并不是每一個(gè)可能的超對(duì)稱模型都被排除了，但這個(gè)理論的未來仍然存在嚴(yán)重的疑問。由于物理學(xué)家多年來在超對(duì)稱理論上投入了大量的時(shí)間和精力，目前還沒有太多令人信服的替代方案。在一個(gè)沒有超對(duì)稱的宇宙中，物理學(xué)將何去何從?只有時(shí)間(和大量的數(shù)學(xué)論證)會(huì)告訴我們答案。

BY:Paul Sutter

FY:Angelina Yang Gong

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