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最新实验宣告超对称理论死亡?

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:8

    最新实验宣告超对称理论死亡?

    (图片来源:stock.xchng/clafouti)

    现有的最精确的电子形状测量为超对称等理论蒙上阴影。超对称理论预测,宇宙中存在着大量未被发现的基本粒子。

    科学家一致认为目前的物理理论是不完整的。然而至今为止,所有探索更深层理论的努力带给人们的只有失望。电子形状作为一个物理性质,被公认为能揭示新的潜在物理规律。但是最近,在对电子形状的最灵敏的测试中,没有任何迹象表明新的现象存在。这个研究结果将众多理论排除在物理规律的大门之外,这其中就包括颇为流行的超对称(supersymmetry)理论。

    这个结果来自对电偶极矩(electricdipole moment)的相关研究。大家熟悉的一个偶极子(dipole)的例子就是条形磁铁。把条形磁铁看作是个有南北极的哑铃,这将有利于我们理解偶极子。传统来说,电子被认为是球形的。但是,如果电子具有偶极矩(dipolemoment)的话,它的形状将会微微偏向于扁球体。“现在的问题是:无论你采取何种手段观察,电子的形状都是一致的吗?”英国伦敦帝国学院(ImperialCollege London)的物理学家强尼·哈德森(Jony Hudson)解释道,“物理学家通过测量电子的偶极矩,来说明它是否完全对称。”

    宇宙中所有已知的基本粒子都可以由标准模型(The StandardModel)来描述。标准模型预言,电子的电偶极矩为零。然而,在那些包含了若干未知粒子的理论中,电子的电偶极矩远大于零。50年来,物理学家一直在对电子的偶极矩进行研究。由耶鲁大学(YaleUniversity)的大卫·德米勒(DavidDeMille)和约翰·道尔(John Doyle),以及哈佛大学(HarvardUniversity)的杰拉尔德·加布里尔斯(GeraldGabrielse)牵头组建的ACME合作研究组(ACMEcollaboration),重复了相关实验,其测量精度比之前的实验提高了10倍,但结果依然没有发现电子电偶极矩不为零的迹象。根据ACME合作研究组发表在预印版网站arXiv上的结果,电子的半径不大于0.00000000000000000000000000001厘米。“这的确令人惊讶,” 同样来自英国伦敦帝国学院的埃德·海因兹(Ed Hinds)说道,“电子电偶极矩始终为零,这究竟是为什么呢?” 海因兹曾在2011年的实验中同哈德森合作。

    这些实验是在探测电子的量子属性。根据量子力学,所有的粒子,包括电子,都会在真实存在的粒子周围形成一个边界模糊的概率云,概率云在向外扩展的同时变得稀薄,并最终消失。如果是在标准模型所描述的范围内,所有的粒子都表现得很正常。但是如果现在有一种不包含在标准模型之中的奇异粒子,它必将出现在电子的概率云中。这样,概率云就不对称了。这也就是说,电子产生了一个不为零的偶极矩。

    为了研究这种非对称性,科学家让电子旋转,以测试它们到底是球形还是椭球形。台球旋转起来十分顺畅,而鸡蛋却会摇摇晃晃一样,这样的现象同样适用于具有电偶极矩的电子。。ACME的研究人员选取一氧化钍中的电子进行观测,因为这种分子质量大,且能使摇晃更加显著。“他们选取一氧化钍来研究是十分聪明的,”哈德森说道,他自己曾用过另一种分子氟化铽进行实验,“我有点嫉妒他们,要是我当时想到用一氧化钍就好了。”早前的几代实验都是在单个原子上进行观测,因此难度要远大于现在。ACME的科学家依靠微波波谱来进行精确测量,以探测电子的摇晃。同时,他们还需要在保证实验环境完全不受磁场和污染上花费大量精力,上述原因都可能引起系统误差。“这相当困难,因为很多东西都会引发电子旋转中的摇晃,而电子的偶极矩本身又是一个如此微小的物理量,” 英国伦敦帝国学院研究组的另一位成员本·索尔(Ben Sauer)说。

    这个新的实验结果给诸多新的物理理论带来了冲击,首当其冲的就是受到广泛认可的超对称理论。超对称理论认为,宇宙中的每一种已知粒子都存在一个未被发现的超对称对应粒子。“超对称理论是如此优美,以致人们就自然而然的预设它是正确的了。”海因兹说。但是如果这些对应粒子真实存在,它们就会隐藏在电子的概率云中,这也就赋予了电子一个不为零的偶极矩。然而,相关的实验现象却一直未被观测到,这已经将超对称理论逼入了绝境。“超对称是否正确,结果即将揭晓。”哈德森说。虽然超对称的一些简单模型已被最新的实验结果所否认,但更复杂的理论预言,电子依旧可能存在一个科学家目前还无法探测到的微小偶极矩。“你可以为超对称理论建立无数个模型,”加州大学伯克利分校(Universityof California,Berkeley)的物理学名誉教授尤金·康明斯(EugeneCommins)告诉我们。他曾领导研究组进行了上一次原子的偶极矩测量。“一个优秀的理论物理学家可以在半小时内建立一个新模型,但实验物理学家否定它却要用20年。”

    寻找超对称粒子是建造大型强子对撞机(Large HadronCollider,简称LHC)的一个主要目标。LHC是世界上最大的粒子加速器,在其位于法国和瑞士边界的地下加速隧道中,质子可以被加速到接近光速,然后对撞产生新的粒子。LHC的加速器足以探测高达太电子伏特(TeV,即1012电子伏特)级别的能量,而这正是预测中超对称粒子的能量范围。目前,有迹象显示,除了标准模型所需的希格斯玻色子外,并不存在新的基本粒子。“如果在LHC所能探测的能量范围内发现了新的物理规律,就可以期待电子会产生一个远大于目前极限的偶极矩。”海因兹说,“现在有了这个最新的实验结果,可以相当肯定地说,在TeV级别上存在新理论是不可能的。”尽管结果令人失望,但是实验物理学家依然进行着更为精确的实验,以期实验中出现一个不曾探测过的信号,带来惊喜。与此同时,物理学家们热切盼望着2014年LHC的再次运行,因为那时它将探索更高能量范围的未知世界。

    (翻译/李宁曦 审稿/张文韬)

    原文链接:https://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=electron-spherical-electric-dipole-moment

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