从夸克到胶子， 强子对撞结果为零， 超对称性并不存在？

最近对大型强子对撞机结果的分析显示，没有证据证明超对称理论。(图片来源:核子研究中心)

(资料图)

超对称性是指自然界的基本粒子通过一种深层的关系联系在一起。这个理论在世界上最大的对撞机实验中预测了全新粒子的存在。但根据最近的一份报告，超对称现象还未出现，因此这个理论似乎有些不可靠。

神秘的对称亚原子宇宙由两种基本粒子组成，费米子(为了纪念物理学家恩里科·费米)和玻色子(以物理学家萨特延德拉·纳特·玻色的名字命名)。从本质上讲，费米子是自然界的基石:夸克、电子、中微子。如果你放大你自己的细胞、分子和原子，你会发现一堆费米子在周围嗡嗡作响，做着它们的事情。

相反，玻色子是自然界基本力的载体。电磁力由光子携带，光子是玻色子的一种。弱核力有三个玻色子来携带它，8个不同的玻色子共同作用产生强核力。引力有一种假想的玻色子，叫做引力子，但我们还不了解这种粒子。

我们也不知道为什么宇宙会分裂成这两大阵营。为什么没有更多的粒子“家族”呢?为什么费米子有这些性质? 为什么玻色子与力有关? 这两个世界之间有什么联系吗?

超能粒子费米子和玻色子之间可能存在某种联系，这种联系的名字叫做超对称。数学对称性在现代物理学中起着核心作用。正是通过发现这样的数学关系，物理学家才能够理解自然的力量和其他奇妙的想法，比如能量守恒。

通过寻找对称性，物理学家可以更加深刻地理解世界。

在超对称中，有一种新的数学关系将费米子和玻色子联系了起来。事实上，这不仅仅是一种联系。超对称性表明费米子和玻色子实际上是同一枚硬币(超对称)的两面。在玻色子家族中，每一个费米子都有一个镜像粒子，而在费米子世界中，每一个玻色子都有一个孪生兄弟。

但事实上并没有。

我们在宇宙中看不到对称是因为对称被打破了。很久以前，当宇宙温度更高、密度更大的时候，这种对称性可以存活下来。但随着宇宙的膨胀，温度降低并打破了对称性，分裂了费米子和玻色子。对称性的打破导致所有的超对称双胞胎的质量急剧膨胀。在粒子物理的世界里，你的质量越大，你就越不稳定。

进入超对称领域的唯一途径是重建早期的宇宙环境。我们可以利用巨型粒子对撞机来重建环境。

ATLAS支撑着世界大型强子对撞机(LHC)，顾名思义，是一种巨型粒子对撞机。它能够将粒子加速到接近光速，然后将它们粉碎在一起，达到尽可能高的能量, 这是自大爆炸以来宇宙中从未出现过的情况。大型强子对撞机的原理是通过在碰撞碎片中寻找超对称粒子对存在的证据来寻找超对称的迹象。

大型强子对撞机的探测器之一叫做ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)，意为“环形大型强子对撞机设备”。全世界数百名科学家参与了ATLAS的合作项目，他们在一篇发表在预印本杂志arXiv上的论文中公布了他们在寻找超对称性方面的最新发现。

结果是什么呢? 没什么结果, 零。

经过多年的搜索和从无数次碰撞中积累的数据，没有任何超对称粒子的迹象。事实上，许多超对称模型现在已经完全被排除在外，只有极少数理论观点仍然有效。

尽管几十年来超对称理论得到了理论家们的广泛支持(他们经常把它描绘成促进我们理解宇宙的下一步)，但自从大型强子对撞机启动以来，这个理论就一直如履薄冰。但是，尽管实验结果不达预期，理论学家们仍希望，在对撞机实验中，某种理论调整模型会产生积极的结果。

虽然并不是每一个可能的超对称模型都被排除了，但这个理论的未来仍然存在严重的疑问。由于物理学家多年来在超对称理论上投入了大量的时间和精力，目前还没有太多令人信服的替代方案。在一个没有超对称的宇宙中，物理学将何去何从?只有时间(和大量的数学论证)会告诉我们答案。

BY:Paul Sutter

FY:Angelina Yang Gong

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