超对称，让我们更接近万物理论

2022-12-14 13:00 来源：网络作者：佚名

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原文标题：《我们只发现了一半的物理吗》

物理学有一个最终目标：找到一些相关的基础理论，然后结合在一起形成一个万物理论。到目前为止，我们最接近万物理论的是粒子物理学的标准模型，这个理论背后的方程式是我们在物理学中所拥有的最准确的方程式。但是，还有很多东西是理论无法解释，比如暗物质、暗能量和引力的量子理论。

有一个理论思想，许多人它认为可以让我们更接近万物理论，并可以填补标准模型的几个空白。这个理论被称为超对称，它是物质粒子和携带力的粒子通过一种新的对称性连接的想法。尽管没有实验证实这种对称性，但它仍然很重要，因为在物理学中，对称性可以被打破，超对称性被打破仍然可以解释很多事情。

如果超对称性是真的，它可以解决我们目前对宇宙理解中的几个问题。例如，它可以解释希格斯玻色子的质量为什么那么小，它可以将三种基本力结合起来：电磁力、强力和弱力，它可以为难以捉摸的暗物质粒子提供完美的候选者。那么，到底什么是超对称呢？为什么对称性在我们寻找万物理论的过程中很重要？

超对称

超对称（SUSY）是标准模型中物质粒子（费米子）和力粒子（玻色子）之间的对称性，这两种粒子之间的主要区别是自旋。标准模型中费米子的自旋为 1/2，而标准模型中所有玻色子的自旋为 0 或 1。费米子遵循的规则是，它们不能在同一时间以相同的自旋处于同一位置，这就是泡利不相容原理。但这个规则不适用于玻色子，因为许多相同的玻色子可以出现在同一位置。

如果你看一些标准模型，你会发现物质粒子比携带力的粒子多得多，宇宙是否偏爱物质而不是允许相互作用的力？由于标准模型充满了对称性，对许多物理学家来说，似乎费米子和玻色子之间的基本对称性也应该存在。所以他们用超对称来描述物质和力之间的对称性。

超对称理论虽然有许多不同的版本，但其基本概念都一样：每个粒子都有一个镜像粒子或超对称对应粒子。每个镜像粒子都是相反类型的，例如费米子的镜像粒子都是玻色子，同样玻色子的镜像粒子都是费米子。通过超对称的这个简单概念，我们可以为标准模型带来平衡，这样我们就有了与相同数量的玻色子和费米子费米子。

你可能会问这一切的意义是什么？玻色子和费米子的数量相等真的很重要吗？我们真的需要这样的对称性吗？简单的回答是，如果它是正确的，它将帮助我们更好地理解宇宙。

超对称好处

早在 80 年代，物理学家就已经开始注意到标准模型的一些问题。一般来说，超对称将解决三个问题：一是它可以解决希格斯玻色子的低质量问题，二是它可以统一三个基本力 —— 电磁力、强力和弱力，三是它提供了暗物质的解决方案。

第一个问题简单来说就是希格斯玻色子的质量看起来不自然。希格斯粒子的质量为 125GeV，从理论上讲，这似乎不太可能。为什么呢？这与量子校正如何影响希格斯玻色子的质量有关。我们可以写出希格斯玻色子的质量，如下图所示。m_measure 是一个测量质量，这是我们可以在实验中测量的。m_corrections 是根据标准模型的方程计算的质量校正。m_0 是一个调谐参数，称为裸质量，标准模型没有告诉我们这个裸质量应该是多少。

我们从大型强子对撞机的实验中得到 m_measure，问题是当我们使用标准模型的方程计算 m_corrections 时，结果却比测量到的质量大好几个数量级。基于此，m_0 需要与 m_corrections 在数值上相等，但符号相反。换句话说，m_0 参数需要如此之高，以至于它几乎完全抵消了理论计算的巨大量子校正，m_0 的高值似乎很不自然，所以我们才需要其他理论来进行微调。

这就是超对称发挥作用的地方，它可以更好地解释希格斯的测量质量的问题。来自超对称的额外粒子，可以抵消这些非常大的量子校正，因为玻色子与费米子相比贡献了相反的希格斯质量，如下图方程所示。

接下来是力的统一问题，物理学家认为，在某些基本层面上，所有力是统一的，并且有一些理论统一了力并以统一的方式解释物理学。标准模型的每个力都有一些反映力强度的耦合常数，这些耦合常数实际上并不恒定，因为它们会在较高温度下发生变化。物理学家预计耦合常数应该在某个非常高的温度下联合起来，因此在某个点上，不同力的不同耦合常数应该在标准模型中变得相等。

最初的标准模型似乎不能达到这个要求，但是从超对称中添加额外的粒子可以改变耦合在较高温度下的变化方式，使它们可能在某个点统一。这是因为耦合的温度依赖性取决于理论中的粒子数量，而超对称性至少会使理论中的粒子数量增加一倍。

暗物质可能是一种稳定的电中性的粒子，尚未发现的超对称粒子可能是暗物质的候选者。