标准模型的超对称延伸
如果能将已知粒子配对,超对称将是最经济、最吸引人的。但是,想要变成现实,标准模型必须包含相同数量的费米子和玻色子——而它却不符合这一标准。这就告诉我们,如果宇宙是超对称的,它一定还包含更多的新粒子。事实上,它所包含的粒子数量,至少是我们迄今实验测知的两倍。标准模型里的所有费米子——三代夸克和轻子,一定都配有它们新的还未发现的玻色子超对称伙伴;而规范玻色子——传递力的粒子,也一定有它们的超对称伙伴。
在一个超对称宇宙里,夸克和轻子的伙伴应是一些新的玻色子,因为物理学家喜欢一些古怪(却系统)的命名方式,便称它们为超夸克和超轻子。总的来说,费米子的玻色子超对称伙伴都与费米子有着相同的名字,只是在其前面加一个“S(超)”。例如,电子与“超电子”配对;顶夸克的伙伴是“超顶夸克”。每一费米子都有一个玻色子超对称伙伴,即与它配对的超费米子。
这些粒子的属性与它们的超对称伙伴严格一致:玻色子超对称伙伴与它们对应的费米子有着相同的质量和电荷,也有相关联的相互作用。例如,如果电子的电荷是-1,那么超电子的电荷也是-1;如果中微子通过弱力相互作用,超中微子也是这样。
如果宇宙是超对称的,那么玻色子一定也有它的超对称伙伴。标准模型里的已知玻色子都是力的承载者:光子、弱玻色子W和Z、胶子,它们的自旋都是1。超对称的命名方式规定,新的费米子超对称伙伴,应与它们对应的玻色子有相同的名称,只是加一后缀“微子”。因此,规范玻色子的费米子伙伴就称做是“规范微子”:胶子的费米子伙伴是胶微子,希格斯子对应的是希格斯微子。就如玻色子超对称伙伴一样,费米子超对称伙伴也与它对应的玻色子有着相同的电荷、相同的相互作用,而且,如果是绝对超对称,还会有相同的质量(如图13-1所示)。
你可能觉得奇怪,既然从没人发现过超对称伙伴,物理学家为什么对超对称的存在深信不疑?某些同事的信心也常令我感到惊讶。但是,除了超对称从未在自然中被发现过外,还有许多原因让人对其存在持怀疑态度。瑟吉奥·费拉拉是第一批从事超对称研究的物理学家之一,在去往伦敦的火车上,他对我讲道:“像这么一个令人称奇又引人入胜的理论构建,在研究宇宙的物理理论中没有发挥任何作用,实在是令人难以相信的。”这代表了许多物理学家的观点。
其他的物理学家,并不完全相信对称的完美,他们相信超对称主要是因为标准模型的超对称延伸所带来的益处:与非超对称的理论不同,它们维护了轻希格斯粒子和质量的等级。
超对称与等级问题
标准模型里的等级问题也可以问成:希格斯粒子为什么这么轻?虚粒子对其质量的量子贡献如此巨大,怎么可能会有这么轻的希格斯粒子?这庞大的量子贡献告诉我们,只有加进一个庞大的、不合情理的参数,标准模型才会发挥作用。
标准模型的超对称延伸的一大优点是,当既有来自粒子也有来自超对称伙伴的虚粒子贡献时,超对称保证不会出现那种使轻希格斯粒子几乎不可能的巨大量子贡献。超对称理论的相互作用只有那些关联的费米子和玻色子相互作用。正是由于这些限制,超对称理论不含有对粒子质量的大量子贡献问题。
在超对称理论里,对希格斯粒子质量贡献的虚粒子不仅是标准模型的虚粒子,虚的超对称伙伴也有贡献。由于超对称的这一显著特征,两种贡献相加总是零。给希格斯粒子质量量子贡献的虚费米子和玻色子恰好相等,这样,它们各自的大贡献便保证能互相抵消。费米子的贡献值为负,恰好抵消玻色子的贡献值。
图13-2阐释了这样的抵消。其中有两个图,一个是虚顶夸克,另一个是虚超顶夸克,都会给希格斯粒子质量带来大的贡献,但在超对称理论里,由于粒子和相互作用之间的特殊关系,来自顶夸克和超顶夸克的对质量的大量子贡献相加为零,这样它们就被抵消了。
在这一图示里,左图是一个虚顶夸克和一虚反顶夸克;右图是一虚超顶夸克和一虚反超顶夸克。两个图例看上去不同,是因为费米子和玻色子的相互作用是不同的,但是,当两个图例里给希格斯粒子质量的贡献相加时,它们互相抵消。
在非超对称理论里,巨大的量子贡献会摧毁低能量上的弱电对称破缺,除非引入一个巨大的不太可能的参数使大量子贡献相加得到一个很小的数值。但标准模型的超对称延伸则保证,如图13-2所示的任何潜在不稳定影响的总和都为零。希格斯粒子的小经典质量值保证了其中包含量子贡献的真实质量仍然会很小。
超对称就像是标准模型的一个灵活而又稳定的基础。如果把标准模型的微调看做是要把铅笔尖朝下立起来所需做的平衡,那么,超对称就像是一根固定铅笔的细线。或者,如果你把等级问题看做是移民局官员的越职审查,由此延误了许多信件,那么,超对称伙伴就像是保护公民自由的检察官,他们给移民局官员以一定的限制,让大多数信件得以迅速通过。
由于常见的虚粒子贡献与超对称粒子贡献相加为零,超对称就保证了虚粒子的量子贡献不会将低质量粒子从理论中排除。在超对称理论里,即使将虚贡献考虑在内,假定应该轻的粒子(如希格斯粒子)仍会保持很轻。
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