來自西蒙斯科學新聞
1982年，作為莫斯科的一名年輕理論家，米哈伊爾·希夫曼（Mikhail Shifman）被一種名為超對稱的優雅新理論所吸引，該理論試圖將已知的基本粒子納入一個更完整的宇宙清單中。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。購買訂閱有助於確保關於當今塑造我們世界的發現和思想的有影響力的故事的未來。
“我那個時候的論文真的洋溢著熱情，”現年63歲的明尼蘇達大學教授希夫曼說。幾十年來，他和數千名其他物理學家發展了超對稱假設，並確信實驗會證實它。“但大自然顯然不喜歡它，”他說。“至少不是以其最初的簡單形式。”
由於世界上最大的超對撞機未能發現該理論所說的必須存在的任何粒子，希夫曼正在加入越來越多的研究人員的行列，敦促他們的同行改變方向。
在一篇論文中，該論文上個月釋出在物理學網站 arXiv.org 上，希夫曼呼籲他的同事放棄“開發人為的巴洛克式審美上令人不快的超對稱修正”的道路，以繞過該理論的更直接版本未能透過實驗測試的事實。他寫道，是時候“開始思考和發展新思路”了。
但幾乎沒有什麼可以依靠的。到目前為止，在歐洲研究實驗室 CERN（位於日內瓦郊外）運營的大型強子對撞機或其他任何地方的實驗中，都沒有出現超出標準模型的“新物理學”的任何跡象——標準模型是描述已知基本粒子的公認方程組。（最近發現的希格斯玻色子是由標準模型預測的。）本月早些時候在日本京都舉行的強子對撞機物理學會議上提出的最新一輪質子粉碎實驗，透過在幾種粒子衰變率中沒有發現任何意外，排除了另一大類超對稱模型以及其他“新物理學”理論。
“當然，這令人失望，”希夫曼說。“我們不是神。我們不是先知。在缺乏實驗資料的指導下，你如何猜測有關大自然的事情？”
年輕的粒子物理學家現在面臨著一個艱難的選擇：追隨他們的導師開闢的幾十年來的道路，採用越來越人為的超對稱版本，還是在沒有任何有趣的新資料指導下，獨自闖蕩。
“這是一個我們大多數人都在試圖避免回答的難題，”來自法國奧賽巴黎第十一大學的理論粒子物理學家亞當·法爾科夫斯基（Adam Falkowski）說，他目前正在 CERN 工作。在最近實驗結果的部落格文章中，法爾科夫斯基開玩笑說，現在是開始申請神經科學工作的時候了。
“你真的無法稱之為鼓舞人心的，”北伊利諾伊大學研究超對稱（或簡稱 SUSY）的高能粒子物理學家斯蒂芬·馬丁（Stephen Martin）說。“我當然不是一個認為 SUSY 必須是對的人；我只是想不出任何更好的東西。”
超對稱幾十年來一直主導著粒子物理學的格局，除了少數幾個超出標準模型的替代物理理論。
哥倫比亞大學的粒子理論家和數學家彼得·沃伊特（Peter Woit）說：“過去二三十年的粒子物理學家對 SUSY 作為假設投入了多少精力，怎麼強調都不為過，因此這個想法的失敗將對該領域產生重大影響。”
該理論之所以引人注目，主要有三個原因：它預測了可能構成“暗物質”的粒子的存在，“暗物質”是一種瀰漫在星系外圍的不可見物質。它在高能量下統一了三種基本力。並且——到目前為止，研究超對稱的最大動機——它解決了物理學中一個被稱為層次問題的難題。
這個問題源於引力和弱核力之間的差異，弱核力大約強 100 萬億億億（10^32）倍，並在更小的尺度上起作用，以介導原子核內部的相互作用。攜帶弱力的粒子（稱為 W 和 Z 玻色子）的質量來自希格斯場，希格斯場是一種充滿所有空間的能量場。但目前尚不清楚為什麼希格斯場的能量，從而 W 和 Z 玻色子的質量，不會遠大於此。由於其他粒子與希格斯場相互交織，它們的能量應該在被稱為量子漲落的事件中溢位到希格斯場中。這應該會迅速提高希格斯場的能量，使 W 和 Z 玻色子變得更大，並使弱核力像引力一樣微弱。
超對稱透過假設每個基本粒子都存在一個“超伴侶”雙胞胎來解決層次問題。根據該理論，構成物質的費米子具有作為玻色子的超伴侶，玻色子傳遞力，而現有的玻色子具有費米子超伴侶。由於粒子及其超伴侶屬於相反的型別，它們對希格斯場的能量貢獻具有相反的符號：一個增加其能量，另一個減少其能量。這對粒子的貢獻會相互抵消，從而不會對希格斯場產生災難性的影響。作為額外的獎勵，其中一個未被發現的超伴侶可以構成暗物質。
哥倫比亞大學的理論物理學家布萊恩·格林（Brian Greene）說：“超對稱是如此美麗的結構，在物理學中，我們允許這種美感和審美品質來指導我們認為真理可能存在的地方。”
隨著時間的推移，隨著超伴侶未能實現，超對稱變得不那麼美麗了。根據主流模型，為了避免被檢測到，超伴侶粒子必須比它們的雙胞胎重得多，從而用類似狂歡節鏡子的東西取代精確的對稱性。物理學家提出了大量關於對稱性可能如何被打破的想法，從而產生了無數版本的超對稱。
但是，超對稱性的打破可能會帶來新的問題。馬丁解釋說：“與現有粒子相比，你必須使某些超伴侶的質量越重，它們的影響的抵消就越不有效。”
20 世紀 80 年代的大多數粒子物理學家認為他們會檢測到只比已知粒子略重的超伴侶。但是，在伊利諾伊州巴達維亞的費米實驗室現在已經退役的粒子加速器 Tevatron 沒有發現任何這樣的證據。隨著大型強子對撞機在沒有發現任何超對稱粒子跡象的情況下探測越來越高的能量，一些物理學家說該理論已經死了。“我認為大型強子對撞機是最後的掙扎，”沃伊特說。
今天，大多數剩餘的可行的超對稱版本都預測，超伴侶的質量非常大，以至於如果不是各種超伴侶之間的微調抵消，它們會壓倒它們輕得多的雙胞胎的影響。但是，為了減少損害並解決層次問題而引入微調使一些物理學家感到不安。希夫曼說：“這或許表明，我們應該退後一步，重新開始思考引入基於 SUSY 的現象學所要解決的問題。”
但一些理論家正在勇往直前，他們認為，與原始理論的美感相反，自然可能只是超伴侶粒子的醜陋組合，並帶有一絲微調。“我認為專注於流行的超對稱版本是錯誤的，”羅格斯大學的粒子物理學家馬特·斯特拉斯勒（Matt Strassler）說。“受歡迎程度的競爭不是衡量真理的可靠標準。”
在一些不太流行的超對稱模型中，最輕的超伴侶不是大型強子對撞機實驗所尋找的那些。在另一些模型中，超伴侶並不比現有粒子更重，而只是更不穩定，這使得它們更難被檢測到。這些理論將在大型強子對撞機升級至大約兩年後的全功率執行後繼續進行測試。
如果沒有出現任何新情況——這是一種被隨意稱為“噩夢般的情形”的結果——物理學家將剩下與 30 年前超對稱巧妙地填補這些漏洞之前存在的宇宙圖景相同的漏洞。而且，在沒有更高能量的對撞機來測試替代思路的情況下，法爾科夫斯基說，這個領域將會緩慢衰退：“粒子物理學的工作數量將穩步下降，粒子物理學家將自然消亡。”
格林提供了更光明的前景。“科學是一項非常棒的自我糾正事業，”他說。“錯誤的觀點會隨著時間的推移被淘汰，因為它們沒有成效，或者因為它們正在將我們引向死衚衕。這種情況以一種非常內在的方式發生。人們繼續研究他們覺得有趣的事情，而科學則蜿蜒走向真理。”