2013年5月1日

大成功?大失敗?—漫談超對稱在高能物理學中的妙用

超對稱能以簡潔優美的形式,解決標準模型無法回答的問題,是繼發現希格斯粒子後,大型強子對撞機下一步欲檢視的新物理理論。

作者/張峻輔(國立清華大學博士)

2012年7月4號在一場全球矚目的實況轉播會議上,位於歐洲的大型強子對撞機(LHC)計劃底下的兩大實驗團隊── CMS與ATLAS,各自宣佈了在高能質子束對撞後的殘骸中,發現了疑似希格斯玻色子的跡象,其質量若依愛因斯坦著名的質能關係式(E = mc2)表達,約莫落在126 GeV/c2 能級附近。截至目前為止,訊號不曾消失掉且益發強烈,在可預見的將來這顆疑似希格斯玻色子極可能被宣布為一顆真正的希格斯粒子。若屬實,這無疑是粒子物理發展史上的一大勝利,標誌著人類對物質世界的瞭解又往前邁進了一大步。對高能物理學有興趣的讀者,在媒體鋪天蓋地的報導下,或許已經對於發現希格斯粒子在物理上的重要性了然於胸,知道它是標準模型的粒子家族當中尚未證實的最後一員,它的存在可解釋萬物質量之謎。

名詞註解:GeV/c2,為基本粒子的質量單位,GeV 代表10 億電子伏特,而c 代表光速。根據質能公式E=mc2,能量為質量乘以光速的平方,因此以電子伏特為單位的能量除以光速的平方,就是粒子的質量。

所以當初被物理學家預言應該存在於標準模型的成員至此業已到齊,那麼物理學家的下一步呢?發現希格斯粒子是否標誌著粒子物理研究輝煌時代的結束? LHC這部造價昂貴的機器接下來的用途只是在更進一步確認(否定?)希格斯粒子的質量嗎?其實不然,在高能物理學的研究上,仍有許多有趣的主題等待著我們去研究探討,本文介紹的超對稱理論,即是目前許多研究人員關注的一個重點。

標準模型為何物?
物理學可說是探討自然界交互作用的一門學問,且物理學家喜歡化繁為簡,盡可能的將複雜多變的自然現象,歸結於基本作用力作用的結果,目前人類已知存在自然界有四種基本交互作用:重力、電磁交互作用、強與弱作用力。在探討基本粒子的交互作用時,重力常常過於微小所以被屏除在外。

物理學家習慣用一套稱之為「標準模型」的理論架構,去描述構成萬物的基本粒子彼此之間,如何進行電磁與強弱交互作用。基本上,標準模型的成員可區分為構成世界基本組成的「物質粒子」與傳遞交互作用力的「媒介粒子」。若依量子力學對粒子的分類,構成組成的物質粒子為自旋半整數倍(1/2、3/2……)的費米子,底下再細分為三代的夸克與輕子(見圖一)。大家從國中理化課就認識的電子是一種質量很輕的「輕」子,而夸克則是構成質子與中子的基本組成,夸克與輕子的自旋皆為1/2。另一類負責傳遞交互作用力的媒介粒子則屬自旋為整數(0、1、2……)的規範玻色子,其中有負責傳遞電磁作用的光子,負責弱作用力的W、Z 規範玻色子與傳遞強力的膠子等,這些媒介粒子的自旋皆為1。

名詞註解:自旋,粒子的內在性質,類似力學中的角動量概念,但因粒子被證實可視為一個不可分割的點,而無法直接套用到角動量概念上。具有量子化的量值,其量子數為整數或半整數(0、1/2、1、3/2、2……)。
圖一:標準模型中的粒子分類示意圖。左上層為六種夸克,下層為六種輕子,
它們各自有三個世代,是組成物質的基礎,又合稱費米子。右邊則是攜帶作
用力的規範玻色子。希格斯粒子沒有被標示在其中。

所有的費米子皆要遵守包利不相容原理(Pauli Exclusion Principle),但是玻色子不用,這導致了費米子與玻色子在微觀世界表現出完全不同的性質,前者決定了週期表中元素的化學性質,後者表現在低溫物理中的超導超流現象。那自旋為0常被稱為「純量」的希格斯玻色子該歸為哪一類呢?它當然不是組成物質的費米子(自旋1/2),但也非傳遞作用力的規範玻色子(自旋1)。它的誕生是當初在標準模型的建立過程中,為了滿足理論的自恰性,不得不讓所有的粒子質量為零,但這與實驗事實明顯悖逆。後來希格斯等人在1964年的論文中,引入一種現稱之為「希格斯場」的量子場,用這種瀰漫於空間的能量場來跟標準模型中所有的粒子進行交互作用,作用的強度標誌著該類粒子的質量,它與頂夸克的作用極強,導致頂夸克的質量遠大於其它夸克;與電子的交互作用微弱,所以電子的質量極輕。但是可惜的是標準模型本身無法預測,希格斯場所對應到的希格斯粒子質量到底是多大,雖然物理學家期望它在100~1000 GeV/c2現身。而且它本身又是不帶電的粒子,這使得搜尋希格斯粒子的工作困難重重,所以去年7月的發現才會顯得彌足珍貴。

超越標準模型的理論
標準模型從上世紀70年代誕生至今,經歷過無數實驗的檢驗,結果基本上大致都符合模型的預測,但物理學家不會因此就自得意滿,從此讓研究變成「在小數點以下求精密度」的工作。好奇心特重的物理學家馬上追問下去,為什麼在描述萬物的組成時,需要去分類費米子與玻色子?有沒有更簡潔的架構去統一這兩類粒子?電磁力與弱力在100 GeV 能級附近已被統一成所謂的「電弱力」,那在更高能級是否能實現所謂的大一統理論(Grand Unified Theory),將強力也包含進來?現今天文觀測發現宇宙中有約23% 不發光(不參與電磁交互作用)的暗物質,且暗物質的組成也非標準模型中的已知粒子,所以科學家知道自然界的確存在不包含在標準模型中的成員,我們需要拓展標準模型來包括這些未知的粒子。

在1970年代早期發展起來的超對稱理論,以其瑰麗對稱的數學結構加之以豐富的物理內涵聞名,可輕而易舉的解決上述懸而未決的難題,被視為是超越標準模型的最有力候選理論之一。值得注意的是超對稱概念的產生並非為了解決上述任何問題之一,而是理論學家在研究空間維度小於三的特定模型時,被挖掘出的對稱性,所以在一開始並沒有受到多大關注。但隨著投入該課題的研究人數眾多,漸漸發覺超對稱有著令人意想不到的應用,可以用來解決粒子物理中的許多難題,理論本身蘊含的豐富內容遠超過研究人員的想像。這情況有點像是19世紀馬克士威欲統一電磁現象寫下相關方程式後,無意中發現了電磁波的存在,之後赫茲證實電磁波存在時說:「我們不得不承認,這些數學公式(馬克士威方程)不是完全人造的,它們本身是有智慧的。它們比我們還聰明,甚至比發現者還聰明。我們從這些公式所得到的,比當初放到這些公式中的還多。」超對稱可說是有異曲同工之妙。在物理發展史上這類例子寥寥可數,因此自然界若捨棄不用未免也太可惜了。

超對稱的基本概念
那到底何謂超對稱?眾所皆知,物理學家習慣將自然律寫成方程式的形式表達,超對稱理論認為在描述自然界正確的方程式當中,若用適當的方式將其中的費米子代換為玻色子,或將玻色子代換為費米子,則描述粒子運動規律的方程式仍然維持不變,這就是物理學家所言的「對稱性」或說「不變性」。值得注意的是此處的代換指的是方程式中符號的轉換,並不是真的將真實世界中的電子換成光子。乍看之下要寫出完美的超對稱理論是極其困難的,畢竟我們已知存在標準模型中的費米子與玻色子為數眾多,且要將標準模型的方程式延伸包含超對稱,還要不違背原本就遵守的量子理論與狹義相對論,這是何等困難的工程。但理論學家實際操作之後發現,其實並沒有想像中困難,因為要滿足這些嚴格的條件,能夠新添入方程式中的數學項屈指可數,所以就誕生了今日我們看到的超對稱版的標準模型。

超對稱理論要求在標準模型中的所有粒子,都要有它的超對稱夥伴──或稱為超伴子(superpartner),其與原有粒子具有相同的質量[註一]與完全相同的量子數,除了自旋相差半整數之外。舉例來說自旋1/2的電子,它的超對稱粒子──超電子,與它具有相同質量且帶同樣電荷,只是超電子是自旋為0的玻色子;同理,自旋為1的光子是玻色子,它的超對稱粒子為自旋1/2 的超光子。不明究理的人會覺得引進超對稱理論,不是讓現今已知的基本粒子數目加倍了嗎?如此一來,理論不是更趨複雜,「基本」粒子都不基本了。但是轉念一想,如果現在已經發現的玻色子與費米子都有它的超對稱粒子,那麼存在於標準模型中的物質粒子與媒介粒子的角色扮演問題,自可迎刃而解。原來所有的粒子都存在它的雙胞胎兄弟,只是兩者自旋相差1/2,我們現在只看到了粒子家族的一半,它還有另一半孿生兄弟尚未現身。【更詳細的內容,請參閱第521期科學月刊】

註一:目前可以確定的是,若大自然擁有超對稱,則也一定是一種破缺的對稱(broken symmetry),因為如果它是尚未破缺的完美對稱,那我們早該看到跟電子一樣重的超電子了!所以研究超對稱的破缺機制非常重要,它將決定我們會以何種方式與它見面。

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