我们只发现了一半的物理吗？

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我们只发现了一半的物理吗？

中科院物理所
[color=var(--weui-FG-2)]2022-12-15 22:30
[color=var(--weui-FG-2)]Posted on 北京
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The following article is from 万象经验 Author Eugene Wang

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。

                               
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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。

                               
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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。

                               
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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。

                               
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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。