大統一理論死期未到

時間: 2016年06月13日 | 作者: Matthew R. Francis | 來源: Symmetry Magazine

       物理學家仍在探索把強相互作用和電弱相互作用統一在一起的辦法。

　　20世紀70年代是粒子物理的黃金時代：位於美國和歐洲的新加速器不斷發現新的未知粒子，等待理論家們去解釋說明；而理論家們也反過來預言新的粒子，等待實驗家們去探測發現。這個過程的結果便是關於基本粒子及其相互作用的標準模型（Standard Model）的建立，這個理論本質上是對物質的基本組成單位以及支配它們的相互作用力的梳理。

　　雖然標準模型對亞原子世界的描述已經很成功了，但是在一些非常重要的方面，比如粒子的質量等，還需要通過實驗觀測而非理論預言來確定。

　　「如果把標準模型完整地寫出來，你會發現它簡直是一團糟，」來自倫敦國王學院的粒子物理學家John Ellis說道，「這個理論包含一大堆參數，而且它們看起來都是任意選定的。這讓我無法相信它是一個終極理論。」

　　人們希望進一步建立一個大統一理論（grand unified theory，簡稱GUT），將四種已知相互作用中的三個聯繫起來，從而以優美的方式解釋這個宇宙是如何運行的。物理學家們最先聯繫起來的兩種相互作用是電磁相互作用和弱相互作用，前者描述了原子結構和光的行為，後者與粒子衰變有關，電磁相互作用和弱相互作用被統一起來以後統稱電弱理論（electroweak theory）。

　　但是他們並沒有滿足於此。科學家們開始嘗試將電弱理論和第三種相互作用——強相互作用也聯繫起來，後者是將夸克束縛在一起，從而組成原子中的質子和中子的作用力。（第四種已知的相互作用力就是引力，目前為止還沒有完備可行的量子理論能將引力納入其中，找出統一所有四種相互作用的「萬有理論」是物理學家的終極目標，但它現在看起來還很遙遠。）

　　由於這些相互作用的性質十分不同，因此將它們統一到單個理論中並非易事。電磁相互作用是長程的，弱相互作用是短程的，強相互作用在像宇宙早期的高能下很弱，而在低能下又很強。如果要統一這三種力，科學家們就需要解釋為什麼它們來自於同一個東西，在現實世界中的表現卻又可以如此不同。

　　在電弱理論中，電磁相互作用和弱相互作用只在粒子加速器或者早期宇宙這樣很高的能量下才統一為單一的相互作用。在高於一個能量閾值（這個閾值被稱作「電弱能標」）時，這兩種相互作用是沒有差別的，但是在能量低於這些值后，這種統一就被破壞了。

　　建立於20世紀70年代的大統一理論將強相互作用也包含了進來，並且像電弱理論當初那樣也預言了新的粒子。首個大統一模型給出了粒子質量之間的關係，並且使得物理學家在實驗觀測之前就對次最重粒子做出了預言。

　　

　　圖片來源：Sandbox Studio, Chicago

　　「我們在底夸克被發現之前就計算了它的質量。」來自加利福尼亞大學伯克利分校的粒子物理學家Mary Gaillard說。後來，費米國家實驗室的科學家在1977年發現了這個粒子。

　　大統一理論還預言質子可以衰變到更輕的粒子。而這裡只有一個問題：實驗還沒有觀測到任何質子衰變的跡象。

　　質子衰變問題

　　在大統一理論中，所有的夸克（當然，也包括組成質子的夸克）都可以衰變到更輕的粒子。它預言，質子在遠遠長於宇宙年齡的時間尺度是不穩定的。為了最大化觀測到質子衰變的可能性，物理學家需要建造包含大量原子的探測器。

　　然而，日本第一代神岡探測器並未探測到任何質子衰變的信號，這就意味著質子的壽命比最初的大統一理論預言的要長。於是，為了解釋這一現象，物理學家提出了更複雜的大統一模型，這些模型中包含更複雜的耦合和更多的粒子，給出的質子壽命更長。

　　當今大多數大統一模型還嵌入了超對稱理論（supersymmetry，簡稱SUSY），超對稱是一種關於時空結構的理論，在粒子物理中有很深刻的應用。超對稱利用一些額外的耦合來改變標準模型中三種相互作用的強度隨能量的跑動行為，從而使得它們在稱為大統一能標的超高能量下得以統一。

　　「超對稱理論引入了超對稱粒子，在質子衰變中，更多的虛粒子會通過量子效應參與進來，」來自美國能源部SLAC國家加速器實驗室的物理學家JoAnne Hewett說道，「這樣，理論預言的質子的壽命就得以延長，從而超過之前實驗給出的結果。」然而，基於超對稱的大統一模型也有一些問題。

　　「它們看上去有點亂糟糟的，」Gaillard說。這些理論包含了更多Higgs類型的粒子，其行為也和標準模型中的Higgs玻色子不同。有鑒於此，Gaillard和其他一些物理學家已經不像在20世紀七八十年代那麼痴迷於大統一理論了。更糟糕的是，實驗尚未探測到任何超對稱粒子。然而，探索仍在繼續。

　　「大統一理論在哲學意義上的動機依然存在，而且其重要性仍和當初一樣，並未有所消減，」Ellis說道。「我仍然愛著超對稱理論，我對待大統一理論也仍然像初戀那般。」

　　Hewett也同意，大統一理論死期未到。

　　「我堅信，觀測到質子衰變將改變我們所有人對這個世界的認知，」她說。「每個人都將認識到，我們由質子組成，並且『哇哦，它們還可以衰變』！」

　　一些規劃中的大型實驗設備，如日本的超超神岡實驗（Hyper-K，日本先後建造了神岡探測器、超級神岡探測器Super-K，在那之後的Hyper-K只能翻譯成超超神岡探測器了）以及美國深地中微子實驗（Deep Underground Neutrino Experiment），將能夠以前所未有的精度探測質子衰變。如果質子衰變被探測到，我們就可以了解大自然的基本相互作用力是如何統一的，我們也可以判斷大統一理論最終是否值得我們信賴。

　　撰文 馬修·R·弗朗西斯（Matthew R. Francis）

　　翻譯 杜立配