什么是超对称？
超对称性是时空的假设对称性，它是唯一的。 数十年来，这个想法在理论物理学家中非常流行，原因有很多-在我还是学生的时候，甚至在物理学成为一个很酷的话题之前，甚至更早的时候，这个想法就很受人们欢迎。
自然界中对称性的自动产生的结果是，每种类型的粒子将具有一个或多个超级伙伴-另一类具有相同属性但在某些重要方式上有所不同的粒子。 如果粒子是费米子，则其超级伙伴是玻色子。 如果粒子是玻色子，则其超级伙伴是费米子（
费米子和玻色子 ）。
在我们的世界中，许多费米子都是物质粒子-许多玻色子都是相互作用的载体。 但是这些粒子均不具有适合成为超级伙伴的特性。 因此，如果超对称性是自然对称性，那么直到我们被发现之前，我们已知的每种基本粒子类型都必须具有伙伴。 而且，由于我们知道20多个粒子，因此我们还有很多工作要做！
那么，这种对称是什么？ 这是一种将空间和时间与超级伙伴的空间和时间的方向联系起来的对称性-换句话说，时空具有不同于我们所知的附加维度。 在Bosonic维度上（我们已经习惯了），您可以随意移动，例如，逐步向左移动。 在费米电子方向上，所有事物都被布置成只能采取一个步骤。 如果再采取一步，您将无处可寻。 你只能回来。 听起来很奇怪，确实如此； 最后，有必要通过数学而不是用单词或类比来确定这种度量。
爱因斯坦的相对论在描述和预测我们世界的许多方面做得非常出色。 他的理论由遵循一组对称性的一组方程组成。 例如，平移对称性，或与将实验从一个时空地点转移到另一个地点相关的对称性：今天在伦敦进行的实验将产生与几个月后在东京进行的同一实验相同的结果。 在1960年代，从数学上证明了超对称性是唯一可以添加到爱因斯坦理论的对称性中的对称性，因此所产生的方程式不会开始偏离现实世界的性质。 在这种意义上，超对称性脱颖而出。
这些超级伙伴粒子在哪里？
如果超对称性是自然的精确对称性，那么我们已经可以找到许多超级伙伴。
在继续进行之前，让我们回顾一下我们知道哪些
基本粒子 。 在参考文献中。 1和2特别有用，以便一眼捕获颗粒并将它们与下图进行比较。
图 1个在图。 在图1中，我展示了如果通过精确的超对称性对标准模型进行补充，世界上将存在哪些粒子。
•对于每一个费米子物质，例如一个电子或一个奇怪的夸克，都有两个新粒子-都是玻色子。 他们的名字很丑陋，是一个电子和一个奇怪的夸克，“ c”表示超对称。 您可能会问，为什么有两个（为什么每个中微子只有一个）。 参见图。 3，一切对您来说应该清楚。
•对于携带子的玻色子，存在费米子伴侣。 光子有光子，胶子有光子等。 有了大量的W玻色子，事情就变得有些复杂了。 他们有一个伴侣葡萄酒[wino]，还有一个希格斯伙伴H
+ （注意！这个粒子不应与文章中出现的H
+粒子混淆，该文章讲述
了如果希格斯场为不幸的是，在具有粒子名称的粒子物理学中，一直存在一个问题-字母不足。 在这个假想的超对称世界中，所有这些粒子都具有完全相同的质量。
•在此模型中，有两个希格斯粒子h
0和H
0 ，每个粒子都有一个希格斯诺伙伴。 一个是无质量的，第二是质量。 为什么两个？ 事实证明，在超对称世界中，必须有两个粒子才能使质量以通常的方式出现在上下夸克中。 第二个论点是两个希格西诺对于数学上的一致性是必需的。
但是，显然，这个理想的超对称世界不是我们的。 如图所示，在这样的世界中，粒子及其超级伙伴：
•同样与其他粒子及其超级伙伴互动。
•重量完全相同。
我们早在一百多年前就知道存在与电子具有相同电荷和相同质量但不会成为电子的粒子。 例如，我们将使原子带有电子，原子带有电子，以及原子带有它们的混合物。 原子类型的数量将远大于观察到的原子类型，并且由于原子中的玻色子的行为与费米子完全不同，因此新原子的化学性质将完全不同。 数据和日常经验排除了这种可能性。 没有电子与大量电子，这就是重点。 因此，确切的超对称性不是正确的自然理论，而且甚至在我们构想之前就知道这一点。
超对称的终结？ 没那么快。
尽管出现了明显的灾难，原始的超对称理论为我们提供了一种简单而合理的解决方案。 对称性可以从我们的视线中隐藏的想法在物理学中很普遍（物理学家说自发地破裂，但这不是一个很好的直观示例-存在对称性，很难识别）。
图 2一个例子是地球上的旋转对称。 自然定律不取决于实验的方向（见图2）。 的确如此，但是在地球上很难看到，无论是将实验的右侧向上翻转，上下翻转还是倾斜，都至关重要。 但是在远离行星，卫星和恒星的遥远空间中，自然定律具有旋转对称性。 无论实验的方向如何，您的实验都会给出相同的答案。 顺便说一下，非常遥远的原子发出的光的测量结果证实了这一理论。 地球使我们感到困惑。 它使我们认为向下方向不同于向上或向左方向。 但是这种明显的差异不是自然规律的属性。 差异是由于地球距离我们的视线隐藏了旋转对称性。
问题是，在整个宇宙中，我们世界的某些方面（不像地球那么粗糙，但有些不可感知，如希格斯场）是否隐藏在我们眼中？ 那怎么办 事实证明，要获得与我们世界相同的世界是很容易的，在那里存在着著名零件的超级合作伙伴，但变得更加困难-太重了，无法在实验中找到。
图 3图中显示了这种现实的可能世界，也许与我们的世界相似。 3.您看到违反超对称性（它是隐藏的并且不容易检测的事实）增加了所有超级伙伴的质量比例，因此整个质量比例高于上夸克的质量。 而且这看起来还不像人为或愚蠢-数学很容易接受这种效果。 有许多准确的示例说明了这种情况的发生方式-但是有太多示例无法让我们猜测哪一个是最可能的。
在向您展示的这个可能的世界中，我做出了一些任意假设，但是在包括我在内的理论物理学家研究的超对称破坏的详细示例中经常可以找到它们：
•南瓜和胶粘糖很重。
•Slepton和Sneytrinos的质量很大，但可能比Squarks和Gluino少。
•葡萄酒，zino，fotino和Higgino混合成一组带电的粒子，chargeino和中性的电中性粒子，其中一些可能比W和Z大一些。
•五个希格斯粒子的质量范围很广，尽管其中至少一个很轻。
这不是打破超对称性时可能发生的唯一方案！ 我将称其为超对称选项还有许多其他可能性。 但是我提出的选择在理论家和实验者中最受欢迎，尤其是在欧洲（在美国，这种选择不那么受欢迎，我对其他地方一无所知）。 这种受欢迎程度有充分的理由； 事实证明，有几种独立的方法可以得到与此电路类似的电路。 但是，普及总是会产生偏见，因此我们需要考虑所有可能性，而无需对这些论点做出假设。
但是，如果超级合作伙伴非常庞大，那么在未来几十年甚至几个世纪之内，我们无法生产任何一个超级合作伙伴，这会发生吗？ 我们是否不计算
针尖上可容纳的天使数量 ？ 从以上所述，确实存在这样的风险。 但是，还有一个更微妙的论点是赞成存在超对称性，因此许多物理学家希望所有这些超级伙伴都在大型强子对撞机的范围之内。 这源于以下事实，即超对称将解决等级问题-世界上最大的谜团之一。
令我包括科学家在内的自然界感到困惑的一个重要性质是等级性质-弱核相互作用性质和引力之间的巨大差异。 可以用几种不同的方式来描述此层次结构，每种方式都取决于其属性之一。 例如：
尽可能小的黑洞的质量决定了所谓的
普朗克质量 。 确定该量的更准确方法是将牛顿引力常数G，量子[已简化的]普朗克常数ħ和光速c结合起来：普朗克质量为
经历弱核相互作用的W和Z粒子的质量比普朗克质量小大约10,000,000,000,000,000倍。 在这方面，在弱核相互作用和重力之间存在巨大的质量尺度层次。
面对十亿万亿的庞大数字，物理学家自然会问一个问题：它是从哪里来的？ 而且他可能有一个相当有趣的解释。
但是物理学家试图在1970年代找到这种解释，却发现这个数字背后隐藏着一个严重的问题，甚至是一个悖论。 现在被称为层次问题的问题与非零希格斯场的大小相关，后者又决定了粒子W和Z的质量。
非零希格斯场的大小约为250 GeV，这使W和Z的粒子质量大约等于100 GeV。 但是事实证明，从量子力学的角度来看，希格斯场的大小是不稳定的，这类似于（不完全类比！）花瓶放在桌子边缘的平衡状态。 从物理学上我们知道，从量子抖动来看，似乎对于希格斯场来说，必须有两种自然的含义-比喻花瓶的两个自然位置，要么牢固地站在桌子上，要么躺在地板上。 事实证明，希格斯场似乎为零，或者其大小应与普朗克能量相当，比观测值多10,000,000,000,000,000。 为什么获得的值非零且如此之小，乍看之下不自然？
这是等级问题。
许多理论物理学家将其职业生涯的很大一部分用于解决这一问题。 有人认为我们需要新的粒子和新的相互作用（他们的想法被称为超对称，技术色彩，小希格斯等）。有人认为我们对重力的理解是错误的，并且存在新的未知维（“附加维”）。 »）我们将在LHC的实验中在不久的将来找到这些空间。 其他人则说，没有什么可以解释的，因为选择的效果是有效的：宇宙比我们观察到的部分更大，更多样化，而且我们生活在宇宙中相当不自然的部分，主要是因为它的其余部分不适合生活-就像尽管岩石行星很少见，但我们生活在其中一个行星上，因为只有在这里我们才能进化和生存。 也许这个问题还有其他尚未发明的解决方案。
这些解决方案中的许多解决方案（当然是具有新粒子和相互作用以及新维度的所有解决方案）都预言可以在LHC上看到新现象。 大型强子对撞机逐渐但不可避免地一次又一次地消除了这些可能性。 到目前为止，我们还没有看到任何意外的现象。 但是我们只是旅程的开始。
顺便说一句，人们经常可以读到层次问题与希格斯粒子的质量如何相关。 事实并非如此。 问题是非零的希格斯字段的值太大。 严格来说，量子力学不是校正希格斯质量，而是校正希格斯质量的平方，从而改变了希格斯场的势能，从而改变了场的大小，并使它为零或太大。 这是一场灾难，因为已知群众W和Z。 希格斯质量未知，因此可能很大-如果质量W和Z也很大。 因此，问题在于W和Z的质量，以及非零希格斯场的大小，从逻辑和科学的角度来看都是问题。