能解釋宇宙的「超對稱粒子」在哪裡？

博科園：本文為粒子物理學類

粒子物理學的支配理論解釋了關於亞原子世界的一切……除了它沒有解釋的部分。不幸的是，對於所謂的標準模型，並沒有很多奉承的形容詞。這一基礎物理理論是在幾十年的時間裡一點一點地建立起來，它最恰當的描述是笨拙、大雜燴和馬吉夫——就像用幾根繩子和口香糖拼湊而成。儘管如此，它仍然是一個非常強大的模型，能夠準確地預測各種各樣的相互租用和過程。但它確實有一些明顯的缺點：它沒有納入引力力；它無法解釋各種粒子的質量，其中一些粒子施加了力；它無法解釋中微子的某些行為，它沒有暗物質存在的答案。所以我們得想個辦法，需要超越標準模型來更好地理解我們的宇宙。

博科園-科學科普：不幸的是，許多解釋這一偉大超對稱理論的主要競爭者，近年來要麼被排除在外，要麼受到嚴格限制。然而，仍然有一個概念可以解釋標準模型沒有涵蓋的宇宙神秘部分：長壽的超對稱粒子，有時簡稱sparticles。但令人沮喪的是，最近對這些奇怪粒子的研究卻一無所獲。到目前為止，最流行的一組理論突破了當前標準模型的界限，它們被歸為一類被稱為超對稱的思想。在這些模型中，自然界中粒子的兩個主要陣營(「玻色子」，如我們所熟悉的光子;而「費米子」——比如電子、夸克和中微子——實際上有一種奇怪的「兄弟」關係「。每個玻色子在費米子世界裡都有一個伴子，同樣的，每個費米子也有一個自己的玻色子朋友。

世界上最大的粒子加速器，大型強子對撞機，在法國和瑞士的邊界下形成了一個17英里(27公里)長的環。圖片：Maximilien Brice/CERN

這些合作夥伴(或者用粒子物理學中令人困惑的術語——「超級合作夥伴」——更恰當地說)都不屬於已知粒子的正常家族。相反，它們通常要重得多、陌生得多，而且通常看起來更奇怪。已知粒子和它超伴粒子之間的質量差異是一種稱為對稱性斷裂現象的結果。這意味著在高能量下(就像粒子加速器的內部)，粒子和它們的夥伴之間的數學關係是穩定的，導致質量相等。然而，在低能量的情況下(就像你在日常生活中所經歷的能量水平)，這種對稱性就會被打破，導致搭檔粒子的質量暴漲。這個機制很重要，因為它也可能解釋為什麼，比如說，重力比其他力弱得多。這個數學問題有點複雜，但簡單來說就是：宇宙中有什麼東西斷裂了，導致普通粒子的質量大大低於它們的超伴粒子。

同樣的破壞行為可能會「懲罰」引力，削弱它相對於其他力的力。為了尋找超對稱性，一群物理學家加入進來，建造了名為大型強子對撞機(Large Hadron Collider)的原子加速器。經過多年的艱苦探索，對撞機得出了一個令人驚訝但令人失望的結論:幾乎所有超對稱性模型都是錯誤的。簡單地說，我們找不到任何伴粒子。零。無價值之物。沒有什麼結果。在世界上最強大的對撞機上，沒有任何超對稱的跡象。在這個對撞機上，粒子以接近光速繞著一個圓形裝置快速運動，然後相互碰撞，有時會產生奇異的新粒子。這並不意味著超對稱性本身就是錯的，但所有最簡單的模型現在都被排除在外了。是時候拋棄超對稱性了嗎？也許吧，但也許會有長壽的粒子。

冰立方實驗地面設施位於南極洲將近1英里(1.6公里)的冰層之下，冰立方表明幽靈中微子不存在，但一項新的實驗表明它們存在。圖片：Courtesy of IceCube Neutrino Observatory

通常在粒子物理學領域，質量越大，就越不穩定，越快地衰變成更簡單，更輕的粒子。事情就是這樣。由於夥伴粒子都被認為是重的(否則，我們現在就能看到它們了)，預計它們會迅速衰變成可能認識的其他物質簇，然後就會相應地建造探測器。但是如果伴粒子的壽命很長呢？如果，通過一些奇特的物理現象(給理論學家幾個小時的時間來思考，會想出足夠多的奇怪現象來讓它發生)，這些粒子在盡職盡責地衰變成不那麼奇怪的東西之前，設法逃脫了探測器的限制，那該怎麼辦？在這種情況下，搜索結果會是完全空的，僅僅是因為我們找得不夠遠。而且，探測器並不是為了能夠直接尋找這些長壽粒子而設計的。

發表在《arXiv》上發表的一篇最新論文中，大型強子對撞機(Large Hadron Collider，大型強子對撞機)上的ATLAS(環形強子對撞機設備的縮寫)團隊成員報告了一項對這種長壽粒子的研究。在目前實驗設置下，他們不能搜索每一個可能的長壽粒子，但是他們能夠搜索質量是質子5到400倍的中性粒子。阿特拉斯團隊搜尋的不是探測器中心的長壽粒子，而是探測器邊緣的長壽粒子，這樣一來，這些長壽粒子就可以在任何地方移動，從幾厘米到幾米不等。從人類的標準來看，這似乎並不遙遠，但對於質量巨大的基本粒子來說，它就像是已知宇宙的邊緣。

當然，這不是第一次尋找長壽粒子，但它是最全面的一次，幾乎使用了大型強子對撞機(Large Hadron Collider)實驗記錄的全部重量。結果是：什麼都沒有。零。無價值之物。沒有什麼結果。沒有任何長壽粒子的跡象。這是否意味著這個想法也失敗了？不完全是，只是在勉強度日。在我們真正捕捉長壽粒子之前，可能還需要專門設計的另一代實驗來捕捉長壽粒子。或者，更令人沮喪的是，它們根本不存在。這就意味著這些粒子（以及它們的超對稱夥伴）實際上只是狂熱的物理學家們憑空想像出來的幽靈，而我們真正需要的是一個全新框架來解決現代物理學中一些突出的問題。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《arXiv》

文: Paul Sutter/Live Science

Cite: arXiv:1902.03094

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