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          楊金民:希格斯粒子和超對稱
          2009-12-03  【 】【打印】【關閉

          楊 金 民
          中國科學院理論物理研究所
                           ----- 《物理教學》特約稿件(09 年31 卷10 期2-3 頁)

            摘要:被稱為上帝粒子的黑格斯粒子可能和超對稱有密切關系,在超對稱的理論框架內黑格斯粒子存在得自然、安逸、和諧,超對稱是黑格斯粒子的天堂。本文結合LHC對撞機簡要介紹黑格斯粒子和超對稱。

            關鍵詞:黑格斯粒子;超對稱;LHC對撞機

            歐洲核子研究中心CERN的大型質子對撞機LHC已經開始試運行,這一能量極高的魔獸將毀滅質子而產生出宇宙創生之初的粒子大家庭,被稱為上帝粒子的黑格斯粒子是這個大家庭的重要成員,它們的重生將再次彰顯上帝的榮耀并給世人帶來驚喜!

            黑格斯粒子被譽為上帝粒子是當之無愧的,在粒子物理的標準模型中黑格斯粒子扮演著上帝的角色,所有粒子的質量都是由黑格斯給的(不帶標準模型量子數的右手中微子的Majorana質量除外),若沒有黑格斯粒子,整個宇宙都將是沒有質量的縹緲之物,大千世界將處于原始的混沌之中。按照圣經,上帝一周之內就妙手創造了世界,但若沒有黑格斯的幫忙,上帝他老人家恐怕難以完成這樣的重任。其實,黑格斯機制和黑格斯粒子的存在可能也是上帝的妙筆。

            按照粒子物理的標準模型,統一描述電磁作用和弱作用的對稱性必須是自發破缺的,否則所有粒子都將沒有質量。自發破缺的含義就是某一個場在能量的最低態(又稱真空態)不具有這種對稱性。什么樣的場能夠在真空態具有非零的取值(又稱真空期望值)去實現電弱對稱的自發破缺呢?只有不帶顏色和電荷的標量場—黑格斯場!否則,久經考驗的色荷、電荷或時空的對稱性(又叫洛侖茲不變性)就被破壞。黑格斯粒子只是在宇宙創生之初曇花一現,它在完成使命之后馬上就衰變掉而香消玉勛了,尋找它的蹤跡一直是高能物理的一個重要目標。但由于黑格斯粒子本身比較重而且不帶電不帶色,它在對撞機上比較難以尋倪。和它差不多一樣重的頂夸克,由于帶色而參與激烈的色作用已經被美國費米實驗室的Tevatron對撞機給發現了。那些好色的粒子由于參與色作用比較容易暴露自己(按照色緊閉理論,所有好色的粒子都被上帝囚禁起來而不能自由,它們永遠破不了色緊閉的魔咒)。費米實驗室也正在挖空心思對黑格斯粒子展開大追鋪,但到目前為止還沒有發現它的蹤跡,其實,鑒于費米實驗室Tevatron對撞機有限的能力(能量和亮度兩方面),追尋不到黑格斯也是正常的。黑格斯正在那燈火闌珊處,沒有足夠的實力是尋倪不到它的,它在翹首等待LHC 大哥的垂青呢!

            如果存在基本的黑格斯粒子,那么標準模型就顯得很蹩腳,超出標準模型的超對稱理論就應該在TeV(1012電子伏特)能標出現。只有在超對稱理論的框架內黑格斯粒子才存在得自然、安逸、和諧,如果不存在超對稱,黑格斯粒子的質量就穩定不了,它會像匹脫韁的野馬隨著能標的跑動而狂奔不止。而由于所有粒子的質量都是由黑格斯給的,那么所有其它粒子也都會隨著黑格斯變重而變重,這樣就不會有氫原子,也就不會有生命,豐富多彩的大千世界就會變成一片死寂的混沌。標準模型馴服不了黑格斯這匹野馬,只有超對稱才能駕馭它,其原因是在標準模型中猖獗的量子效應主導了黑格斯粒子的質量而使得其煩躁不安,超對稱以其優美的對稱性壓制住了量子效應這股黑惡勢力從而穩定住了黑格斯粒子的質量。

            那么,什么是超對稱理論呢?超對稱其實是時空對稱性(平移和洛侖茲轉動)的擴展,有了超對稱,時空對稱性才得以圓滿。超對稱自提出以來以它的優美征服了無數的理論家和實驗家,它除了能奇妙地馴服黑格斯從而把黑格斯粒子的質量穩定在費米能標(大約100GeV,一個GeV等于109電子伏特),在宇宙學中還能大顯身手,不僅可以去實現宇宙早期的暴漲,還為宇宙中的暗物質粒子提供了一個很好的候選者:由于最輕的超對稱粒子是電中性的、穩定的粒子,可以充當暗物質的自然的候選者。其實超對稱理論預言我們世界中的每一個粒子都有它的超對稱伴子(叫作超粒子),所以,如果超對稱是真經的話,我們還有另一半超粒子世界。這些眾多的超粒子在宇宙形成的極早期大量存在并甚是活躍,可惜這個家族的絕大部分成員都很短命,在宇宙的早期與其它眾多粒子熱鬧一番后便紛紛衰變而退出歷史舞臺,到現在只剩下一個老幺(最輕的超粒子)長生不老,其年齡和宇宙老人一樣, 至今已有137 億歲了。雖然絕大部分超粒子都早已仙逝而歸于宇宙塵土, 但我們可以在高能對撞機實驗中讓它們得以重生,從而揭示上帝創造宇宙的玄機并炫耀人類的智慧和文明。

            作為暗物質候選者的最輕的超粒子特別值得表揚一番,它除了像標準模型的黑格斯粒子那樣不好色不帶電之外,它是宇宙中的真君子和真正的逍遙客,它是高尚的無名英雄。沒有它,宇宙的結構就難以形成;它就像宇宙中的強力膠,沒有了它,宇河中的一個個星體就會紛紛飛散,宇宙就會徹底散架而導致天下大亂,統領宇宙的上帝老人也會驚慌失措。它雖然在宇宙的形成和穩定中起著關鍵作用,它卻選擇不顯山不露水的灑脫生活,它雖然象上帝一樣時刻在我們周圍,但卻無影無蹤,它的低調使得我們根本就看不到感覺不到它的存在。要感知它存在的妙音,必須有專門的實驗設備(各種天體物理實驗和高能對撞機實驗),尋找這樣重要而高尚的粒子是我們人類的光榮使命。

            超對稱除了預言包括暗物質粒子在內的大量超粒子之外,還預言黑格斯粒子有好幾個兄弟姐妹,它們一起組成一個快樂的黑格斯家庭,它們聯合起來一起給其它粒子提供質量,并且在完成任務后馬上衰變而光榮殉職。LHC 對撞機將重生它們這個家族,向人類證實它們的作用和貢獻。

            值得注意的是,作為史無前例的人類科學實驗裝置的巨無霸,LHC對撞機雖然有超強的能力去發現黑格斯粒子、超對稱粒子和暗物質粒子,但它像一個猛男子一樣,力很大但不夠精細,它不能精細研究這些粒子的性質和品行。要徹底識別TeV能區的廬山真面目(特別是徹底明察超對稱天堂),還需要下一代正負電子對撞機ILC。

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