超对称:称量证据
这就留给我们一个突出的问题:自然中存在超对称吗?陪审团还未入场,没有更多的证据,一切都只能是猜想,此刻,辩方和控方都有对各自有利的论据。
我们已提到了相信超对称的两个强有力原因:等级问题和超弦理论。支持超对称的第三个有力证据是,力有可能在标准模型的超对称延伸里统一起来。正如第11章讨论过的,电磁力、弱力和强力相互作用强度要依赖于能量。尽管乔治和格拉肖原来发现标准模型的力统一了,但这三种力更为准确的测量显示,标准模型的统一并不是很有效。图13-3上图显示的是作为能量函数的三种作用强度的图。
但是,超对称引出了通过这三种力相互作用的许多新粒子,这改变了力对距离(或能量)的依赖关系,因为超对称伙伴还会作为虚粒子出现。这些额外的量子贡献进入重整化群计算,并影响了电磁力、弱力、强力等相互作用强度对能量的依赖。
上图表现的是,在标准模型里,作为能量函数的电磁力、弱力和强力的作用强度:三条曲线逐渐靠近,却并未相交于一点。下图表现的是,在标准模型的超对称延伸里,同样的三种力作为能量函数的作用强度:在高能量上,三种力的强度是一样的,这表明三种力有可能统一为一种力。
图13-3下图显示的是,当虚超对称伙伴作用包括在内时,相互作用强度随能量会产生怎样的变化。值得注意的是,有了超对称,三种力似乎比以前更为精确地统一起来。这比早先的统一尝试更为重要,因为我们现在对相互作用强度的测量更为准确。三条线的相交可能属于巧合,但它也可以被看做是支持超对称的证据。
超对称理论的另一个优点是,它们包含了暗物质的一个自然的候选者。暗物质是遍布于宇宙的不发光物质,是通过其引力作用发现的。即便宇宙中有大约四分之一的能量储存于暗物质中,我们仍不了解它究竟是什么。[25]一个不会衰变且有恰当质量和作用强度的超对称粒子,可能会是合适的暗物质候选者。事实上,最轻的超对称粒子不会衰变,它们可以具有恰当的质量和相互作用,从而成为构成暗物质的粒子。它可能是光微子,即光子的伙伴;或者,在我们后面将探讨的额外维度图景里,它也可能是规范玻色子W的伙伴——W微子。
但是,超对称的情形并非无懈可击。对超对称的最强有力的反驳是,无论希格斯粒子还是其超对称伙伴,都尚未发现。虽然超对称伙伴也许很快就会被发现,但如果说超对称解决了等级问题,而我们竟尚未观察到它,就完全难以理解了。实验已达到了几百GeV的能量,尽管超对称伙伴肯定更重一点,但并没有理由如此。事实上,从解决等级问题的角度来讲,更轻的粒子更为适宜。如果说超对称解决了等级问题,为什么我们至今仍未能找到超对称伙伴?
理论方面,超对称也不十分令人信服。因为它是怎么破缺的,仍是一个大问题。我们知道它肯定是自发破缺,但就如标准模型和弱力对称的破缺一样,我们尚不清楚究竟是哪些粒子引起了破缺。很多人提出了一些新奇的观点,但我们仍在期待一个更加令人满意的四维理论。
第一次接触超对称时,从模型构建角度来看,我发觉它似乎是太过简单了。因为没有量子贡献,超对称理论似乎可以包含完全不相干的质量,即使我们不明白质量差异为什么会出现,它们也不会带来任何问题。从模型构建角度来看,这很令人失望,因为对于还未确定的基本理论,它没有提供任何线索,而且,构建模型遇不到任何挑战,这也显得很无趣。
但是,在这之后我遇到了超对称的“味”问题,这说明它肯定不对。事实上,你很难让一个对称破缺理论的具体细节产生效力。这一问题虽然微小,但非常重要。对于超对称破缺的简单理论,味对称问题是一个重要障碍。所有超对称破缺的新理论都集中在这一点上,我们会在第17章看到,为什么说额外维度里的超对称破缺是一可能的解决方法。
现在我们回顾一下,标准模型里费米子的味是有着相同电荷却不同质量的三代不同的费米子。例如,上夸克、奇夸克和顶夸克;再如,电子、µ子和t子。在标准模型里,这些粒子的身份是不会改变的。例如,µ子永远不会与电子直接相互作用,它们只能通过弱规范玻色子的交换间接地作用。尽管µ子可以衰变成电子,这只是因为衰变产生了一个µ子中微子和一个电子中微子(如图7-7所示),µ子永远也不会不经释放相关的中微子而直接转化成电子。
特定类型的轻子身份不会发生变化,对此,物理学家的表达方式是,电子或µ子数保持不变。我们指定电子和电子中微子的电子数为正,而正电子和电子反中微子的电子数为负;指定µ子和µ子中微子的µ子数为正,而反µ子和µ子反中微子的µ子数为负。如果µ子和电子数保持守恒,那么µ子便永远也不可能衰变成电子和光子,如果那样,我们会以正µ子数和零电子数开始,而以正电子数和零µ子数结束。事实上,从没有人见过这种衰变。就我们所知,所有的粒子相互作用,电子和µ子数都将保持不变。
在超对称理论里,电子和µ子数守恒告诉我们,尽管如µ子和超µ子一样,电子和超电子也可以通过弱力相互作用,但电子永远也不会直接与一个超µ子相互作用。不论出于什么原因,如果电子和超µ子配对,或是
µ子与超电子配对,就会引发在自然界根本不可能出现的相互作用,比如,µ子会衰变成一个电子和一个光子。
这里的问题是,尽管在真正的超对称理论里不会发生味改变的相互作用,但一旦超对称破缺,µ子和电子数守恒即得不到保证。在一个超对称破缺的理论里,超对称相互作用会改变电子和µ子的数量——这有悖于实验发现。这是因为,超对称伙伴的大质量玻色子并不像它们对应的费米子一样,有强烈的身份感。在超对称理论里,它们所拥有的质量允许超对称玻色子可以相互混淆身份。例如,对应µ子的,不仅可以是超µ子,还可以是超电子。但超电子与µ子的配对,就可能会产生我们从未见过的各种衰变。任何有关自然的正确理论里,改变µ子或电子数的相互作用一定很微弱(或者根本不存在),因为我们从未发现过这种相互作用。
夸克也会遇到类似的问题:当超对称破缺时,夸克的味不会守恒,而且会导致危险的世代混杂,也就是篇首故事里艾克担心的那样。自然界里确实会发生某些夸克的混杂,但其程度却远远要小于超对称破缺理论的预言。
这种味改变的相互作用在自然界里极少出现,对此作出解释,是超对称破缺理论面临的一个严峻考验。不幸的是,大多数超对称理论都不能解释为什么这种味改变的效应并没有出现。这根本是不允许的:理论要与自然一致,必须禁止这种混淆。
如果你仍不太明白这一问题,也许听到以下这一事实,你就宽心多了,许多物理学家最初也是同样的感觉,而且也没有把超对称的味问题看得有多重要。简单地说,看法的不同可以根据地域来划分:欧洲人不像美国人看得那么严重。多年来,我们一直在从另外的背景思考味问题,了解这一问题多么难以解决;而许多人从一开始就忽略了“无政府主义原理”的含义,因而不理解我们为什么小题大做。现在在西雅图核理论研究所工作的一位杰出的物理学家,戴维·卡普兰(David B.Kaplan,我读研究生时的第一个合作者),从1994年密歇根国际超对称会议回来后,向我讲述了他的沮丧:会上,他对听众解释了自己提出的味问题的解决方案,过后才发现,根本没几个人认为那有什么问题!
这很快就发生了变化,大多数人现在都意识到了这一味问题的严重性。很难找到一个超对称破缺理论,能够既不改变粒子身份,又能给所有的超对称伙伴必要的质量。要成功解决等级问题,超对称理论面临着一个巨大的困难:怎样使对称破缺,而又能防止产生味改变。µ子、电子(和夸克)数量的不守恒听上去有点过于专业,但它的确是超对称破缺的一大障碍,真的很难防止超对称伙伴的互相转变,对称通常是无力阻止它的。
因此,我们再次返回主题:有对称的理论是完美的,但描述我们可见世界的对称破缺应该同样完美。超对称为什么破缺?又是怎样破缺的?只有形成一个完美的超对称破缺模型,我们才能够完成理论挑战,理解超对称。
这并不是说超对称一定是错的,或者说它根本不能解决等级问题。但这确实意味着,超对称理论要成功地描述世界,还需要另外的元素。很快我们将看到,这另外的元素可能就是额外维度。
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