超對稱粒子

超對稱粒子

超對稱粒子是日本粒子物理學家宮沢弘成於1966年提出的理論,當時是為了補充標準模型中的一些漏洞。它描述了費米子和玻色子之間的對稱性,認為每種費米子都應有一種玻色子與之配對,反之亦然。超對稱理論的一個重大問題就是尋找超對稱粒子的實驗迄今一無所獲,這些實驗反而一再佐證了標準模型的合理性。一旦被證實,它將有助於統一宇宙的四種基本作用力,並幫助解釋宇宙中存在的暗物質問題。

基本信息

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超對稱粒子超對稱粒子
日本粒子物理學家宮沢弘成最早於1966年首次提出超對稱理論,當時是為了補充標準模型中的一些漏洞。它描述了費米子和玻色子之間的對稱性,認為每種費米子都應有一種玻色子與之配對,反之亦然。

“超對稱性”是粒子物理學中的一個專業術語,描述的是宇宙中傳播力的粒子(玻色子,Bosons)與物質粒子(費米子,Fermions)之間的一種關係——即“對稱”關係。自上世紀80年代早期起,物理學家就已將標準模型的超對稱版本視為一個最有競爭力的方案:將弱、強和電磁相互作用(三種量子場論)統一為一個宏大的統一場理論。但是,要實現這種統一,這些超對稱模型要求尚未發現的基本粒子存在於整個宇宙中,即每個現有玻色子的費米子伴子和每個費米子的玻色子伴子。

此種超對稱性似乎是弦理論(StringTheory)的自然產物,對理論物理學家具有非常大的吸引力。實際上,對大多數可行的弦理論來說,超對稱性都是一個必不可少的構成要素。它還為瀰漫宇宙的暗物質提供了一個很好的候選者——一種被稱為Neutralino的粒子,是中微子(Neutrino)的超對稱伴子。

在粒子物理學裡,超對稱粒子或超伴子是一種以超對稱聯繫到另一種較常見粒子的粒子。在這物理理論中,每種費米子都應有一種玻色子“拍檔”(費米子的超對稱粒子),反之亦然。沒有“破缺”的超對稱預測:一顆粒子和其超對稱粒子都應有完全相同的質量。至今仍然沒有標準模型粒子的超對稱粒子被發現。這可能表示超對稱理論是錯誤的,或超對稱並不是一種“不破”的對稱性。如果超對稱粒子被發現,其質量會決定超對稱破裂時的尺度

就實標量的粒子(如軸子)而言,它們有一個費米子超對稱粒子,也有一個實標量場。

在延伸的超對稱里,一種特定粒子可能會有多於一個超對稱粒子。舉例,在四維空間裡,一個光子會有兩個費米超對稱粒子和一個標量超對稱粒子。

在零維的情況下(常被稱作矩陣力學),有可能存在超對稱,但沒有超對稱粒子。然而,這隻有在當超對稱性不包含超對稱粒子的情況下才成立。

實驗研究

自上世紀80年代,超對稱理論就已成為在物理學中超越標準模型的最佳候選理論。但尋找超對稱粒子的實驗迄今一無所獲,反而一再佐證了標準模型的合理性。這造成了超對稱理論具有無限希望,而現實卻存在疑問的矛盾情況。

大型強子對撞機實驗未找到超對稱粒子

這項實驗是在LHCb設備上進行的,這一設備是安裝在瑞士-法國邊境的歐洲核子研究中心(CERN)的這台大型對撞機環路中的4台大型探測設備之一。英國利物浦大學的塔拉·希爾斯(Tarashears)博士是這一設備工作組的發言人,他說:“實驗的結果已經將超對稱理論置於聚光燈下。”

在實驗中,物理學家們試圖以前所未有的精度觀察B介子的衰變情況。如果超對稱粒子果真存在,那么B介子的衰變頻率將要比它們不存在的情況下高得多。除此之外,如果超對稱粒子存在,它們的物質和反物質版本粒子衰變時表現的差異也應當要更大一些。

科學界渴盼了解這項實驗的結果,尤其是在美國費米實驗室質子—反質子對撞機(Tevatron)得到的結果似乎暗示B介子的衰變確實受到超對稱粒子影響的結果之後,科學界就更加需要某種證實或澄清的結果出現。然而,在對數據進行深入分析之後,LHC的科研人員報告他們未能找到任何有關超對稱粒子的蛛絲馬跡。

根據LHC實驗工作組成員,倫敦帝國學院的約旦·納什(Jordan Nash)教授的說法,實驗進行至今,我們應當已經觀察到一些超對稱粒子的線索了。他說:“我們至今未能找到任何直接或間接的證據證明這一理論,這說明要么我們對這一理論的理解是不全面的,要么它的本質和我們所想還存在差異,再或者就是這種粒子根本就不存在。”說出最後這句話時,納什教授滿臉失望。

有趣的一幕是,當年和超對稱理論同時代的一些“陳舊”的理論現在又再一次開始活躍,因為當年壓制它們風頭的超對稱理論現在正面臨危機。根據林肯教授的說法,一些年輕的理論物理學家已經開始嘗試構建某種全新的理論,因為他們認為超對稱理論已經“過時”了。

“這是一種優美的理論”,費米實驗室(Fermilab)的JosephLykken在BBC節目中談到超對稱理論時所言,“它解釋了暗物質,解釋了希格斯玻色子(Higgsboson),解釋了宇宙論的一些方面,但這並不意味著它就是正確的。”

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