粒子物理學的未來5:自然性

日本 斯坦福大學 量子的表象 2019-04-28

相比於研究弦理論或者M-理論的緊緻化,有些人更喜歡討論理論的“自然性”。簡單的說,自然性就是指無論什麼對稱性或者機制解決了等級問題,它們一定會預言存在和標準模型的粒子(特別是那些比較重的粒子如W玻色子,Z 玻色子,和頂夸克) 質量相近的新粒子。我們還沒有發現這樣的粒子,不少自然性的支持者對此表示了擔心。

但是,歷史表明這樣的“自然性”的論證常常會令人誤入歧途。頂夸克就是一個很好的例子。當底夸克在1979年被發現後,人們論證說因為頂夸克和底夸克屬於同一個電弱二重態,它們的質量應該很相似。首先,斯坦福直線加速中心的對撞機提高了對撞能量在3倍於底夸克質量的範圍內尋找頂夸克。沒有找到。同時,日本當時正在建造一個新的對撞機 (“Tristan”)在6倍於底夸克質量的範圍內來尋找頂夸克,結果同樣也沒有找到。事實上,頂夸克的質量是底夸克的41倍,遠比所謂的“自然”的質量大。而與自然性的論證相反的方法從基本理論出發預言質量。頂夸克最終是在1996年在費米實驗室被發現的。

尋找超對稱伴粒子的情況和這個類似。沒有理由認為自然性可以完全預言這些伴粒子的質量。如果它們的質量和標準模型的粒子相近,那很好。但是我們不知道為什麼必須是這樣。現在從實驗上可以得出的結論是膠子的超對稱伴粒子的質量至少是頂夸克質量的15倍以上。

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