那些可以解释宇宙问题的“模型”在哪里?人类需要它!

在漫长的物理长河中,粒子物理学的支配理论解释了关于亚原子世界的一切,除了它没有解释的部分。不幸的是,对于所谓的标准模型,这一基础物理理论是在几十年的时间里一点一点地建立起来的。

尽管它是一个基础模型,它仍然是一个非常强大的模型,能够准确地预测各种各样的现象交互和过程。


但它确实有一些明显的缺点,它没有纳入重力,它无法解释各种粒子的质量,包括其中一些施加了力的粒子,它无法解释中微子的某些行为,它没有解释暗物质存在的答案。

所以标准模型并不能更好地帮助我们理解宇宙!我们需要超越标准模型的存在来更好地理解我们的宇宙。


不幸的是,许多解释这一伟大的超标准理论的主要竞争者,近年来要么被排除在外,要么受到严重限制。但是到目前为止,仍然有最流行的一组理论突破了当前标准模型的界限,它们被归为一类被称为超对称的理论模型。在这些模型中,自然界中粒子的两个主要阵营(“玻色子”,如我们所熟悉的光子;而“费米子”——比如电子、夸克和中微子——实际上有一种奇怪的兄弟关系。每个玻色子在费米子世界里都有一个伴子,同样的,每个费米子也有一个自己的玻色子朋友。

这些“兄弟”或者说“伙伴”都不属于已知粒子的正常家族。相反,它们通常要重得多、陌生得多,而且通常看起来更奇怪。

我们知道已知粒子和它们的超伴粒子之间的质量差异是一种称为对称性断裂的现象的结果。这意味着在高能量下(就像粒子加速器的内部),粒子和它们的伙伴之间的数量关系是稳定的,也就是质量相等。然而,在低能量的情况下,这种对称性就会被打破,导致搭档粒子的质量暴涨。这个机制很重要,因为它也可能解释为什么,比如说,重力比其他力弱得多。这个数学问题有点复杂,但简单来说就是:宇宙中有什么东西断裂了,导致普通粒子的质量大大低于它们的超伴粒子,并削弱它相对于其他力的力量。


为了寻找超对称性,一群物理学家加入进来,建造了名为大型强子对撞机(Large Hadron Collider)的原子加速器。经过多年的艰苦探索,对撞机得出了一个令人惊讶但令人失望的结论:几乎所有的超对称性模型都是错误的。


简单地说,我们找不到任何伴粒子。在世界上最强大的对撞机上,没有任何超对称的迹象。在这个对撞机上,粒子以接近光速的速度绕着一个圆形装置快速运动,然后相互碰撞,有时会产生奇异的新粒子。这并不意味着超对称性本身就是错的,但所有最简单的模型现在都被排除在外了。难道是时候抛弃超对称性了吗?也许吧。

通常,在粒子物理学领域,质量越大,就越不稳定,越快地衰变成更简单,更轻的粒子。事情就是这样。所以我们预计一些重粒子会迅速衰变成我们可能认识的其他物质簇,然后我们就会相应地建造探测器来检测它的存在。但是如果有存在长寿粒子呢?也就是它们的存在时间较长,足够科学家拿去研究。

其实早在不久前,科学家就曾利用大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)上的ATLAS(环形强子对撞机设备的缩写,有点笨拙)开启了对这种长寿粒子的研究。结果,并没有发现它的存在。当然,这不是第一次寻找长寿粒子,但它是最全面的一次,几乎使用了大型强子对撞机(Large Hadron Collider)实验记录的全部重量。但是仍然没有任何长寿粒子的迹象。

或者,更令人沮丧的是,它们根本不存在。这就意味着这些物质——以及它们的超对称伙伴——实际上只是狂热的物理学家们凭空想象出来的幽灵,而我们真正需要的是一个全新的框架来解决现代物理学中一些突出的问题。