超对称理论是什么呢?

超对称理论是什么呢?
超对称理论是什么呢?

超对称理论是什么呢?
超对称[1]是费米子和玻色子之间的一种对称性,该对称性至今在自然界中尚未被观测到.物理学家认为这种对称性是自发破缺的.大型强子对撞器将会验证粒子是否有相对应的超对称粒子这个疑问.我们知道, 基本粒子按照自旋的不同可以分为两大类： 自旋为整数的粒子被称为玻色子 (Boson), 自旋为半整数的粒子被称为费米子 (Fermion), 这两类粒子的基本性质截然不同. 超对称便是将这两类粒子联系起来的对称性 - 而且是能做到这一点的唯一的对称性.
[编辑本段]内容
对超对称的研究起源于二十世纪七十年代初期, 当时 P. Ramond、 A. Neveu、 J. H. Schwarz、 J. Gervais、 B. Sakita 等人在弦模型 (后来演化成超弦理论) 中、 Y. A. Gol'fand 与 E. P. Likhtman 在数学物理中分别提出了带有超对称色彩的简单模型. 1974 年, J. Wess 和 B. Zumino 将超对称运用到了四维时空中, 这一年通常被视为是超对称诞生的年份.
在超对称理论中每一种基本粒子都有一种被称为超对称伙伴 (Superpartner) 的粒子与之匹配, 超对称伙伴的自旋与原粒子相差 1/2 (也就是说玻色子的超对称伙伴是费米子, 费米子的超对称伙伴是玻色子), 两者质量相同, 各种耦合常数间也有着十分明确的关联. 超对称自提出到现在已经快三十年了, 在实验上却始终未能观测到任何一种已知粒子的超对称伙伴, 甚至于连确凿的间接证据也没能找到. 尽管如此, 超对称在理论上非凡的魅力仍然使得它在理论物理中的地位节节攀升, 今天几乎在物理学的所有前沿领域中都可以看到超对称概念的踪影. 一个具体的理论观念, 在完全没有实验支持的情况下生存了将近三十年, 而且生长得枝繁叶茂、 花团锦簇, 这在理论物理中是不多见的. 它一旦被实验证实所将引起的轰动是不言而喻的. 正如 S. Weinberg (电弱统一理论的提出者之一) 所说, 那将是 “纯理论洞察力的震撼性成就”. 当然反过来, 它若不幸被否证, 其骨牌效应也将是灾难性的, 整个理论物理界都将哀鸿遍野.
超对称的魅力源泉之一在于玻色子与费米子在物理性质上的互补, 在一个超对称理论中, 这种互补性可以被巧妙地用来解决高能物理中的一些极为棘手的问题, 比如标准模型中著名的等级问题 (Hierarchy Problem), 即为什么在电弱统一能标与大统一或 Planck 能标之间存在高达十几个数量级的差别?超对称在理论上的另一个美妙的性质是普通量子场论中大量的发散结果在超对称理论中可以被超对称伙伴的贡献所消去, 因而超对称理论具有十分优越的重整化性质.
关于超对称的另外一个非常值得一提的结果是, 它虽然没有实验证据, 却有一个来自大统一理论的 “理论证据”. 长期以来物理学家们一直相信在很高的能量 (即大统一能标, 约为 1015 - 1016 GeV) 下微观世界的基本相互作用 - 强相互作用及电弱相互作用 - 可以被统一在一个单一的规范群下, 这样的一种理论被称为大统一理论. 大统一理论成立的一个前提是强、 电磁及弱相互作用的耦合常数必须在大统一能标上彼此相等, 这一点在理论上是可以加以验证的. 但是验证的结果却令人沮丧, 在标准模型框架内上述耦合常数在任何能量下都不彼此相等. 也就是说标准模型与大统一理论的要求是不相容的, 这无疑是对大统一理论的沉重打击, 也是对物理学家们追求统一的信念的沉重打击. 超对称的介入给了大统一理论新的希望, 因为计算表明, 在对标准模型进行超对称化后所有这些耦合常数在高能下非常漂亮地汇聚到了一起. 这一点大大增强了物理学家们对超对称的信心, 虽然它只是一个理论证据, 而且还得加上引号, 因为这一 “证据” 说到底只是建立在物理学家们对大统一的信念之上才成之为证据的.
[编辑本段]意义
超对称理论的出现极大地改变了理论物理的景观, 也给宇宙学常数问题的解决带来了一线新的希望.
这一线希望在于玻色子与费米子的零点能正是两者物理性质互补的一个例子, 玻色子的零点能是正的, 而费米子的零点能却是负的. 这一点在标准模型中也成立, 只不过在标准模型中玻色子与费米子的参数迥异, 自由度数也不同, 因此这种互补性并不能对零点能的计算起到有效的互消作用. 但是在超对称理论中玻色子与费米子的参数及自由度数都是严格对称的, 因此两者的零点能将严格互消. 不仅零点能如此, 其它对真空能量有贡献的效应也如此, 事实上在严格的超对称理论中可以普遍地证明真空的能量密度 - 从而宇宙学常数 - 为零.
假如时间退回到十几年前 - 那时还没有宇宙学常数不为零的确凿证据 - 宇宙学常数为零不失为一个令人满意的结果, 可惜时过境迁, 现在我们对这一结果却是双重的不满意. 因为我们现在认为宇宙学常数并不为零, 因此对宇宙学常数为零的结果已不再满意. 另一方面, 物理学家们辛辛苦苦做了多年的实验, 试图找到超对称伙伴 (并顺便拿 Nobel 奖), 结果却一个也没找到, 因此现实世界根本就不是超对称的, 从而我们对以严格的超对称为基础的证明本身也很不满意 (这后一个不满意放在十几年前也成立).
读者可能会奇怪, 既然实验不仅未能证实, 反而已经否定了超对称, 物理学家们为什么还要研究超对称? 而且还研究得那么有滋有味、 乐此不疲? 那是因为物理学上有许多对称性破缺的机制可以协调这一 “矛盾”, 一种对称性可以在高能下存在, 却在低能下破缺. 电弱统一理论便是运用对称性破缺机制的一个精彩的范例. 物理学家们心中的超对称也一样, 严格的超对称只存在于足够高的能量下. 因此前面关于宇宙学常数为零的证明必须针对超对称的破缺而加以修正, 这一修正之下我们原先的双重不满意倒是消除了, 但不幸的是原先在严格的超对称管束下销声匿迹的种种 “不良” 效应却也通通卷土重来, 宇宙学常数虽然不再为零了, 却被大大地矫枉过正, 可谓是 “前门拒虎, 后门进狼”.
那么考虑到超对称破缺后宇宙学常数的计算结果究竟有多大呢? 这取决于超对称在什么能量上破缺, 目前的看法是对标准模型来说超对称的破缺应该发生在 TeV (1012 eV) 能区. 这相当于在前面提到的零点能密度的计算中令 M~TeV (因为虽然量子场论本身的适用范围远远高于 TeV, 但在 TeV 以上的零点能被超对称消去了), 由此所得的宇宙学常数约为 ρ ~ (TeV)4/Mp2. 这一结果比观测值大了约 60 个数量级 (由此对应的宇宙半径在毫米量级), 比不考虑超对称时的 123 个数量级略微好些, 但也不过是 “五十步笑百步” 而已, 两者显然同属物理学上最糟糕的理论拟合之列.
[编辑本段]超对称和超弦理论
在弦论的最基本层次上, 基本粒子被视为振动的弦而非点粒子. 一段弦可以有许多谐振模式, 不同的基本粒子就被诠释为这些不同的谐振模式.
物理学家建立了N=8的超对称理论(Supersymmetry / SUSY)统一费米子与玻色子,那是认为这个宇宙除了四维之外,还有四维,这个八维宇宙叫超空间(superspace),然而这额外的四维不可被理解为时间抑或空间,八维宇宙是由费米子居住,物质可透过自旋由四维空间转入费米子居住之八维,又可由八维转回四维,即玻色子可换成费米子,费米子可转换成玻色子,它们没有分别,我们之所以看到它们自旋不同只不过是我们局限于四维而看不到八维的一个假象.
打个譬喻,你在地球上只会感同到三维(上下前后左右),我们虽然知道时间之存在,然而我们眼睛看不到,眼睛只帮我们分析三维系统,然而有可能这个世界是八维,而因为眼睛只可分辨三维而你无法得知.
科学家称这些一对之粒子为超对称伙伴(supersymmetric partner),如重力微子(gravitino),光微子(photino),胶微子(gluino),而费米子之伙伴叫超粒子(sparticle),只不过是在费米子前面加一个s,如超电子(selectron).可是我们知道费米子无论怎样转也转不出玻色子,亦没有发现费米子或玻色子转出来的超对称伙伴,例如电子就不是由任何已知玻色子转出来,假如每一玻色子或费米子都有其超对称伙伴,世界上之粒子数将会是现在的两倍.
有认为超对称伙伴质量比原本粒子高很多倍,只存在于高能量状态,我们处于安静宇宙是不能够被看见,只有在极稀有的情形下,超对称伙伴会衰变成普通的费米子及玻色子,当然我们尚未探测到超对称伙伴,否则就哄动啰.
超弦理论避免了试图将引力量子化时产生的紫外发散, 同时它也比传统量子场论更具预言能力, 比如它曾对粒子相互作用中超对称概念的提出有所助益. 在粒子相互作用的超对称统一理论所获得的成功中有迹象表明, 超对称在接近当前加速器的能量上就可能对基本粒子产生影响. 若果真如此, 则超对称将被实验证实, 并有可能具有宇宙学上的重要性, 与暗物质、 元素合成及宇宙暴胀相关. 磁单极在超弦理论的结构中起着重要作用, 因此如果超弦理论成立, 它们就必须存在, 虽然其密度也许已被宇宙暴胀稀释到无法观测的程度. 磁单极的质量在许多令人感兴趣的模型中都接近 Planck 质量, 但假如粒子相互作用与引力的统一 - 如最近某些模型所提出的 - 通过大的或弯曲的额外维度 (large or warped extra dimensions) 在接近 TeV 的能量上实现, 那么磁单极的质量就会小于 100 TeV. 在天体物理背景下这样的磁单极将是极端相对论性的. 在这类模型中, 超对称将毫无疑问出现在 TeV 能区.
[编辑本段]超对称研究结果
德国和美国两所大学的研究人员利用慕尼黑粒子加速器,用亚原子轰击金原子在轰击靶上的 反应结果显示有超对称现象存在.物理学家一直希望能证实自然界中存在超对称现象,从而能确认反 原子、反中子、波包子、费米子的存在,并能解释150亿年前天体大爆炸的形成机理,及进一步揭示物 质的内部结构.由于目前加速器的比量太小,所以一直无法找到超对称理论的证据.这次实验能初步证实自然界中存在超对称现象,
03年,台湾大学物理系高能研究团队在“超对称”研究方面获得重大突破,宣布发现了30年来物理界最具有震撼性的发现：宇宙可能是由“超对称”的物质组成,有更多的粒子是前所未见的,并由实验证明应有“纳纳米”物质的存在,这一“诺贝尔级”新发现已使“新物理”征兆乍现.
据台湾媒体报道,由台湾大学物理系师生组成的台大高能团队,13日宣布取得“诺贝尔级”的新发现.他们宣称发现了史上首见的“新物理”征兆,严重挑战已被沿用了30年的“标准模型”,而且已经获得99%的科学确认,未来全球物理教科书都可能必须改写.
该研究结果也在今天凌晨于美国芝加哥费米实验室举行的“轻子光子”会议中发表,参与该会议的台大物理系教授侯维恕表示,这项研究发现在这场800多人参与的会议引起全场轰动,虽然有其它团队做出不太相同的结论,但由于台湾团队的正确率已经是千分之九百九十九,所以引起极高度的肯定与重视.学者们都认为,这是30多年来,了解宇宙领域碰到的最严苛挑战.学者们评估,大约只要再经过一年的时间,就可以确认这项“新物理”是否成立.