粒子物理学的未来5:自然性

相比于研究弦理论或者M-理论的紧致化,有些人更喜欢讨论理论的“自然性”。简单的说,自然性就是指无论什么对称性或者机制解决了等级问题,它们一定会预言存在和标准模型的粒子(特别是那些比较重的粒子如W玻色子,Z 玻色子,和顶夸克) 质量相近的新粒子。我们还没有发现这样的粒子,不少自然性的支持者对此表示了担心。

但是,历史表明这样的“自然性”的论证常常会令人误入歧途。顶夸克就是一个很好的例子。当底夸克在1979年被发现后,人们论证说因为顶夸克和底夸克属于同一个电弱二重态,它们的质量应该很相似。首先,斯坦福直线加速中心的对撞机提高了对撞能量在3倍于底夸克质量的范围内寻找顶夸克。没有找到。同时,日本当时正在建造一个新的对撞机 (“Tristan”)在6倍于底夸克质量的范围内来寻找顶夸克,结果同样也没有找到。事实上,顶夸克的质量是底夸克的41倍,远比所谓的“自然”的质量大。而与自然性的论证相反的方法从基本理论出发预言质量。顶夸克最终是在1996年在费米实验室被发现的。

寻找超对称伴粒子的情况和这个类似。没有理由认为自然性可以完全预言这些伴粒子的质量。如果它们的质量和标准模型的粒子相近,那很好。但是我们不知道为什么必须是这样。现在从实验上可以得出的结论是胶子的超对称伴粒子的质量至少是顶夸克质量的15倍以上。


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