超对称理论彻底失败了吗?

知乎问题:超对称理论彻底失败了吗

超对称(supersymmetry 或 SUSY)是在上世纪 70 年代为了在量子场论中引入费米子(fermions)和玻色子(bosons)之间的对称性而提出来的。特别是在 Coleman–Mandula 定理的发表后,超对称成为了非平庸地连接时空和其内廪空间对称性的一条途径。由于超对称的引入,物理模型通常会有更好的特性,特别是可重整性(renormalizable)。

尽管超对称可能作为超弦理论的对称性最有名,但其实它还被用在很多其他基础理论的研究中,比如最小超对称标准模型(Minimal Supersymmetric Standard Model),超引力等等。甚至这一概念还被应用到其他的物理分支中。但几乎在所有的基础物理模型中,超对称都是作为一个新对称性而引入一套新的超粒子,可能一个重要的背后动机就是希望用较轻的超粒子来解释暗物质。

然而近一二十年的实验技术进步让以上讨论的超对称概念受到了严肃的质疑。一方面,欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)运行十年来没有在各种模型所预言的能区内找到任何超对称粒子的迹象。另一方面,寻找暗物质(特别是候选粒子WIMP)的技术越来越灵敏,但是除了不断进步的探测下限,同样没有测量到这样的超粒子的迹象。于是近些年,不但象应用超对称的超弦理论受到声讨和质疑,就连超对称这个概念本身都处于被抛弃的边缘。

但是我们很难相信超对称作为一个极其优美的物理概念在自然界中得不到体现。一个最大的可能是我们过去对超对称的理解出现了偏差。问题可能就在于人们一直是通过超对称人为地引入了一组新的粒子。可如果超对称本来就已经体现在我们已知的基本粒子体系中了呢?更自然的超对称不应该是物质费米子和规范作用玻色子之间的对称性吗?

事实上,南部阳一郎(Nambu,2008 诺奖得主)在80年代末的会议报告中曾经提出过类似的这种更自然的他称之为“准超对称”(quasi-SUSY)的思想,即在已知模型内(比如标准模型)建立一种费米子和玻色子的自由度的平衡。然而这样的思想未被主流采纳,一个重要的原因是已知的标准模型内有太多的费米子自由度(夸克和轻子一共有 90 个),同时规范玻色子的自由度太少(包括胶子、光子、W± 和 Z 一共才 27 个)。而且这些粒子的质量千差万别,很难想象它们会来自同一个超对称多重态(SUSY multiplet)。

显然,要想恢复这样的超对称概念,我们就要找到缺失的玻色子自由度,同时还要找出一种自发对称破缺的机制来实现它。最近提出的新镜像物质理论(Mirror Matter Theory)恰恰可以解决这一难题,特别是它用三个基础物理的第一性原理:量子变分原理、可观测性原则、时空暴胀原理(参见论文“First principles of consistent physics”)来构造了超对称镜像模型(Supersymmetric Mirror Models)并用来解决很多基础物理和宇宙学的谜题。其详细内容和讨论可以参见我的《镜像世界探秘》的系列文章。

在新理论中,可观测性原则给出了关键的镜像对称和超对称以及其他对称性束缚。镜像对称是时空流形的定向对称性,是宇宙诞生的第一个对称性,它的自发破缺导致时间箭头的出现及二维时空的涌现(emergent)。而超对称是二维及以上时空的一个自然要求,它保证了物质费米子和规范玻色子之间的对称性的平衡。并且在之后自发对称破缺包括暴胀和相变的过程中,费米子凝聚态所对应的标量场(包括4维情况下的 Higgs)和余下的费米场也构成了一种形式上的伪超对称。在新理论框架下,是镜像对称而不是超对称给出了新的一套粒子,即类似于普通基本粒子的镜像粒子。

由于时空超对称的限制,在不同时空维度下将会有不同粒子场及其之间的规范相互作用。比如,二维时空下是马约拉那(Majorana)费米子和 U(1) 规范玻色子,并且各有两个自由度。在4维延展的时空下,费米子才会是狄拉克(Dirac)类型的,并且才会有更复杂的规范相互作用。

至于我们今天看到的4维时空下的标准模型的复杂性,特别是标准模型里几乎不可辨认的破缺的超对称,则是归功于新理论提出的分级夸克凝聚(staged quark condensation)机制。在此系列相变(包括电弱和 QCD 相变)下,六味夸克会凝聚成六个不同能标下类 Higgs 的标量场,LHC 所测到的 Higgs 只是其中最重的顶夸克(top quark)的凝聚态。这导致了已知基本粒子的千差万别的质量等级,特别是中微子的微小质量。而大量玻色子自由度的缺失,是由于夸克凝聚后其 U(6) 味规范作用破缺所生成的伪NG-玻色子(pseudo-Nambu-Goldstone bosons)。换句话说,它们其实隐藏在我们已经熟知的作为夸克复合体的介子自由度中了(比如,π 介子和 K 介子)。只有撕掉它们的伪装,我们才能找到迷失的超对称。

如果我们仔细数数就会发现,标准模型下的费米子和玻色子(包括伪NG-玻色子)的自由度都是90,也就是说它们正好可以构成一个伪超对称多重态。“伪”在这里是指自发对称破缺导致质量的生成同时真空态的对称破缺,超对称只是形式上而不是严格意义下的保留。在新理论里,标准模型还要加上一个几乎一样的镜像扩展,即镜像费米子和玻色子的自由度也都是90,也满足伪超对称性。这些镜像物质正是构成了我们今天想看却无法“看到”的暗物质。

新镜像理论告诉我们,超对称不但没有失败,而且在基础物理里得到了完美的体现。可观测性原则诱导出的超对称与镜像对称及其全新理解奠定了我们描述大千物理世界和宇宙演化的基础。

May 9, 2021
Last modified: May 9, 2021

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