超對稱理論檢視原始碼討論檢視歷史

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超對稱理論是費米子和玻色子之間的一種對稱性，該對稱性在自然界中尚未被觀測到。物理學家認為這種對稱性是自發破缺的。LHC將會驗證粒子是否有相對應的超對稱粒子這個疑問。 基本粒子按照自旋的不同可以分為兩大類：自旋為整數的粒子被稱為玻色子，自旋為半整數的粒子被稱為費米子，這兩類粒子的基本性質截然不同。 超對稱理論便是將這兩類粒子聯繫起來的對稱性 - 而且是能做到這一點的唯一的對稱性的一種理論。

理論

在弦論的最基本層次上， 基本粒子被視為振動的弦而非點粒子。 一段弦可以有許多諧振模式，不同的基本粒子就被詮釋為這些不同的諧振模式。 物理學家建立了N=8的超對稱理論(Supersymmetry / SUSY)統一費米子與玻色子，那是認為這個宇宙除了四維之外,還有四維，這個八維宇宙叫超空間(superspace)，然而這額外的四維不可被理解為時間抑或空間。八維宇宙是由費米子居住，物質可透過自旋由四維空間轉入費米子居住之八維，又可由八維轉回四維，即玻色子可換成費米子,費米子可轉換成玻色子，它們沒有分別，我們之所以看到它們自旋不同只不過是我們局限於四維而看不到八維的一個假象. 打個譬喻，你在地球上只會感同到三維(上下前後左右)，我們雖然知道時間之存在，然而我們眼睛看不到，眼睛只幫我們分析三維系統，有可能這個世界是八維，而因為眼睛只可分辨三維而你無法得知。 科學家稱這些一對之粒子為超對稱夥伴（supersymmetric partner），如重力微子(gravitino)、光微子(photino)、膠微子(gluino)，而費米子之夥伴叫超粒子(sparticle)，只不過是在費米子前面加一個s，如超電子(selectron)。可是我們還沒有發現費米子或玻色子轉出來的超對稱夥伴，例如電子就不是由任何已知玻色子的超對稱夥伴，假如每一玻色子或費米子都有其超對稱夥伴，世界上之粒子數將會是兩倍的數量。 有認為超對稱夥伴質量比原本粒子高很多倍，只存在於高能量狀態，我們處於安靜宇宙是不能夠被看見，只有在極稀有的情形下，超對稱夥伴會衰變成普通的費米子及玻色子，當然我們尚未探測到超對稱夥伴，否則就鬨動囉。 超弦理論避免了試圖將引力量子化時產生的紫外發散，同時它也比傳統量子場論更具預言能力，比如它曾對粒子相互作用中超對稱概念的提出有所助益。在粒子相互作用的超對稱統一理論所獲得的成功中有跡象表明，超對稱在接近當前加速器的能量上就可能對基本粒子產生影響。若果真如此，則超對稱將被實驗證實，並有可能具有宇宙學上的重要性，與暗物質、元素合成及宇宙暴脹相關。磁單極在超弦理論的結構中起着重要作用，因此如果超弦理論成立，它們就必須存在，雖然其密度也許已被宇宙暴脹稀釋到無法觀測的程度。磁單極的質量在許多令人感興趣的模型中都接近 Planck 質量，但假如粒子相互作用與引力的統一 - 如某些模型所提出的 - 通過大的或彎曲的額外維度 (large or warped extra dimensions) 在接近 TeV 的能量上實現，那麼磁單極的質量就會小於 100 TeV。在天體物理背景下這樣的磁單極將是極端相對論性的。在這類模型中，超對稱將毫無疑問出現在 TeV 能區。大型強子對撞機(LHC)的試驗結果似乎已經將亞原子粒子理論中的一種最簡單版本的超對稱理論排除。 研究人員在試驗中未能找到所謂的「超對稱」粒子。日本粒子物理學家宮沢弘成最早於1966年首次提出超對稱理論，當時是為了補充標準模型中的一些漏洞。它描述了費米子和玻色子之間的對稱性，認為每種費米子都應有一種玻色子與之配對，反之亦然。一旦被證實，它將有助於統一自然界的基本作用力，並幫助解釋宇宙中存在的暗物質問題。 從事這項工作的物理學家們告訴BBC記者說，物理學界今後可能需要重新構建一套全新的理論。有關的數據已經被提交正在印度孟買舉行的國際輕子和光子國際會議。 這項實驗是在LHCb設備上進行的，這一設備是安裝在瑞士-法國邊境的歐洲核子研究中心（CERN）的這台大型對撞機環路中的4台大型探測設備之一。英國利物浦大學的塔拉·希爾斯(Tara Shears)博士是這一設備工作組的發言人，他說：「實驗的結果已經將超對稱理論置於聚光燈下。」 在實驗中，物理學家們試圖以前所未有的精度觀察B介子的衰變情況。如果超對稱粒子果真存在，那麼B介子的衰變頻率將要比它們不存在的情況下高得多。除此之外，如果超對稱粒子存在，它們的物質和反物質版本粒子衰變時表現的差異也應當要更大一些。 科學界渴盼了解這項實驗的結果，尤其是在美國費米實驗室質子—反質子對撞機(Tevatron)得到的結果似乎暗示B介子的衰變確實受到超對稱粒子影響的結果之後，科學界就更加需要某種證實或澄清的結果出現。然而，在對數據進行深入分析之後，LHCb實驗暫時未能找到超對稱粒子存在的間接證據。 超對稱理論的最簡單描述就是，除了我們所熟知的亞原子粒子，還存在超對稱粒子，它們和常規的亞原子粒子非常相似，僅有一些細微的特徵上的差異。這種理論將幫助我們解釋為何宇宙中會存在遠比我們能觀察到的物質量多得多的「看不見」的物質，即暗物質。 根據LHC實驗工作組成員，倫敦帝國學院的約旦·納什(Jordan Nash)教授的說法，實驗進行，我們應當已經觀察到一些超對稱粒子的線索了。他說：「我們未能找到任何直接或間接的證據證明這一理論，這說明要麼我們對這一理論的理解是不全面的，要麼它的本質和我們所想還存在差異，再或者就是這種粒子根本就不存在。」說出最後這句話時，納什教授滿臉失望。

簡介

起源 日本物理學家 宮沢弘成（Hironari Miyazawa）最早於1966年首次提出超對稱理論。 對超對稱的研究起源於二十世紀七十年代初期， 當時 P. Ramond、 A. Neveu、 J. H. Schwarz、 J. Gervais、 B. Sakita 等人在弦模型（後來演化成超弦理論）中、 Y. A. Gol'fand 與 E. P. Likhtman 在數學物理中分別提出了帶有超對稱色彩的簡單模型。1974年，J. Wess 和 B. Zumino 將超對稱運用到了四維時空中， 這一年通常被視為是超對稱誕生的年份。

發展 在超對稱理論中每一種基本粒子都有一種被稱為超對稱夥伴 (Superpartner) 的粒子與之匹配，超對稱夥伴的自旋與原粒子相差 1/2 (也就是說玻色子的超對稱夥伴是費米子， 費米子的超對稱夥伴是玻色子)，兩者質量相同，各種耦合常數間也有着十分明確的關聯。 超對稱自提出到2014年已經四十年了， 在實驗上卻始終未能觀測到任何一種已知粒子的超對稱夥伴， 甚至於連確鑿的間接證據也沒能找到。 儘管如此， 超對稱在理論上非凡的魅力仍然使得它在理論物理中的地位節節攀升， 幾乎在物理學的所有前沿領域中都可以看到超對稱概念的蹤影。 一個具體的理論觀念， 在完全沒有實驗支持的情況下生存了將近五十年， 而且生長得枝繁葉茂、 花團錦簇， 這在理論物理中是不多見的。 它一旦被實驗證實所將引起的轟動是不言而喻的。 正如 S. Weinberg (電弱統一理論的提出者之一) 所說， 那將是 「純理論洞察力的震撼性成就」。 當然反過來， 它若不幸被否證， 其骨牌效應也將是災難性的， 整個理論物理界都將哀鴻遍野。

作用 超對稱的魅力源泉之一在於玻色子與費米子在物理性質上的互補， 在一個超對稱理論中， 這種互補性可以被巧妙地用來解決高能物理中的一些極為棘手的問題， 比如標準模型中著名的等級問題 (Hierarchy Problem)， 即為什麼在電弱統一能標與大統一或 Planck 能標之間存在高達十幾個數量級的差別？超對稱在理論上的另一個美妙的性質是普通量子場論中大量的發散結果在超對稱理論中可以被超對稱夥伴的貢獻所消去， 因而超對稱理論具有十分優越的重整化性質。關於超對稱的另外一個非常值得一提的結果是， 它雖然沒有實驗證據， 卻有一個來自大統一理論的 「理論證據」。 長期以來物理學家們一直相信在很高的能量(即大統一能標， 約為 1015 - 1016 GeV) 下微觀世界的基本相互作用- 強相互作用及電弱相互作用- 可以被統一在一個單一的規範群下， 這樣的一種理論被稱為大統一理論。 大統一理論成立的一個前提是強、電磁及弱相互作用的耦合常數必須在大統一能標上彼此相等， 這一點在理論上是可以加以驗證的。 但是驗證的結果卻令人沮喪， 在標準模型框架內上述耦合常數在任何能量下都不彼此相等。 也就是說標準模型與大統一理論的要求是不相容的， 這無疑是對大統一理論的沉重打擊， 也是對物理學家們追求統一的信念的沉重打擊。 超對稱的介入給了大統一理論新的希望， 因為計算表明， 在對標準模型進行超對稱化後所有這些耦合常數在高能下非常漂亮地匯聚到了一起。 這一點大大增強了物理學家們對超對稱的信心， 雖然它只是一個理論證據， 而且還得加上引號， 因為這一 「證據」 說到底只是建立在物理學家們對大統一的信念之上才成之為證據的。