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爱因斯坦的未竟之梦,物理学“大统一理论”简史(下)

中科院物理所  · 公众号  · 物理  · 2017-06-08 09:36

正文

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由于虚拟费米子和相同质量的虚拟玻色子产生的量子修正除了符号相反以外,其他都是相同的, 如果每个玻色子都与之对应着一个相等质量的费米子, 那么虚拟粒子的量子效应将会被完全抵消掉。这意味着, 任意高质量和能量的虚拟粒子,对宇宙(在我们可测量的尺度上的)物理性质的影响可以完全被抵消。


物理学家恩里科·费米

然而,如果超对称性本身就是破缺的,那么量子修正就不会被抵消,相反,它们会对与超对称性破缺尺度相当的粒子的质量产生影响。如果它与弱电相互作用对称性破缺时的尺度相当,那么我们就可以解释为什么希格斯粒子的质量应该是我们测到的数值。

这也意味着,在目前LHC探测的尺度范围内,我们应该会探测到很多新的粒子,这些新的粒子是超对称性下与普通物质(也就是我们已知的粒子)相对应的粒子。

超对称性将解决一些自然存在的问题,因为它能保护希格斯粒子免受量子修正的影响,量子修正可能会使希格斯粒子的能量与大统一时的能量尺度相当。超对称性使得电弱相互作用和大一统尺度的能量等级相差如此之大变得可能。

原则上,超对称性能解决很多能量差别引起的问题,它越来越被人们所了解,同时它也受到了很多物理学家的青睐。物理学家开始寻找内含超对称性破缺的真实可行的模型,并在这些模型下寻找其他的物理结果。此时,物理学家们对超对称性的研究热情达到了最高点。

因为如果有人能将超对称性自发破缺的计算与三种非引力形式的相互作用力与距离的变化关系联系起来,那么这三种相互作用力就会自然而然的在一个非常小的距离尺度内收敛在一起,大统一理论就变得可行了!

具有超对称性破缺的模型还有一点吸引人的特性,如果顶夸克很重,那么它和超对称性中与之相对应的粒子相互作用后会对希格斯粒子产生量子修正,如果大统一出现在一个超高的尺度,此时的希格斯场在其目前测量到的能量尺度内将形成一个一致的背景场。简而言之,弱相互作用对称性破缺会自然的发生,即使此时大统一的能量尺度仍旧比其能量尺度大很多。当顶夸克被发现并被证实它有较大的质量时,对称性破缺造成了目前弱相互作用的可观测能量尺度这一理论变得更加吸引人了。

为了实现大统一,在某一能量尺度上必须存在着迄今为止我们仍未观察到的新物理

然而, 所有这些都是有代价的。为了使得理论可行,必须存在着两个希格斯玻色子,而不仅仅一个。此外,假如有人建造了一台LHC(它可以探测弱电相互作用统一尺度里的一些新的物理区域),那么我们应该可以看到具有超对称性的新粒子。最后,作为约束,理论中最轻的希格斯粒子的质量不能太大,否则这个理论的就行不通。

寻找希格斯粒子的脚步从未停歇,但是依然见不到它的踪影,加速器一次次地突破极限,使之能越来越接近对称性理论中描述的最轻的希格斯粒子的质量上限。该质量约为质子质量的135倍,细节取决于模型,而不是模型的细节。如果直到这个质量上限仍然找不到希格斯粒子,那么说明一切超对称理论也就此被排除了。


在大型强子对撞机观测到的因质子碰撞而产生的希格斯玻色子候选事件:上方的紧凑渺子线圈实验展示出衰变为两个质子(黄虚线与绿实线)的事件,下方的超环面仪器实验展示衰变为四个μ子(红径迹)的事件。(来源:维基百科)


然而,事情变得不一样了。物理学家们观测到了希格斯粒子,而且它的质量约为质子质量的125倍。一切发展至此,大统一也许触手可及。







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