超越标准模型的大飞跃

你为我而生，我生来为你。

吉恩·凯利（Gene Kelly）《雨中曲》

天堂里同样危机四伏

艾克第一次到天堂时，先被领进了一个培训课堂。在那里，他了解了天堂的规则。令他惊讶的是，右翼宗教团体的理念居然是正确的，实际上，家庭准则是他所处的这一新环境的基础。权力机构很久以前就确立了一个传统的家庭结构，来保证世代的划分及婚姻的稳定：上层的男子必然要娶下层的女子；一个风姿俊秀的人必然匹配一个形貌古怪的人；城里的姑娘必然要嫁乡下的小伙子。所有人，包括艾克在内，对此安排都很满意。

但是，艾克后来才得知，天堂里的社会结构也并不总是坚如磐石。起初，曾有过一些危险的、能量强大的潜入者威胁到社会的等级基础，但是，在天堂里，大多数问题都能得到解决。上帝为每人派了一个天使，天使与他们护卫的人一同英勇协作，消除了等级隐患，维护了社会的正常秩序。正是这样，艾克现在才能够乐在其中。

即便这样，天堂也并非安然无恙。结果呢，天使反倒成了自由派，没有条文规定他们必须属于哪一代。一些反复无常的天使，曾经英勇地捍卫了等级制度，现在却威胁要摧毁天堂的家庭准则。艾克感到惊恐，尽管传说中天堂是那么的美好，但他却发现，这里也是一个危机四伏的地方。

“超”在物理学术语里比比皆是：我们有超导体、超冷却、超饱和、超流体，还有超导体对撞机（SSC）——如果不是在1993年被国会否决，它就会成当今能量最高的对撞机了。当然，带“超”的物理学术语还有很多。因此，当物理学家发现时空对称本身也有一个更大的“超”形式时，你可以想象他们有多兴奋。

“超对称”的发现真是令人惊讶。最初创建超对称理论的时候，物理学家还以为他们早就知道了空间和时间的所有对称。时空对称是我们比较熟悉的，在第9章中我们已见证过这种对称，它告诉我们，单从物理定律无法辨别自己处在什么位置、面对什么方向或现在是什么时刻。例如，假设你在加州或纽约打篮球，篮球的轨迹不会因为你在球场的哪一边而改变。

1905年，随着相对论的诞生，空间对称变换又囊括了运动速度和方向的变换。物理学家以为，这就是最后的对称了，没人相信还会有未发现的涉及时间和空间的对称。1967年，杰弗里·曼杜拉（Jeffrey Mandula）和西德尼·科尔曼这两位物理学家证实，不再存在其他对称，人们的这一直觉由此形成了定式。但是，他们（以及所有人）都忽略了基于非常规假设的一种可能。

本章我们将介绍超对称——一种能够将玻色子和费米子交换的新型的奇异对称变换。现在，物理学家能够构建包含超对称的理论，虽然超对称作为自然的对称，还只是一种假设，因为至今没有人在我们周围的世界里发现它。不过，物理学家还是有两个主要的理由认为它可能存在于我们的世界里。

超对称

一种能够将玻色子和费米子交换的新型的奇异对称变换。超对称不一定能够解释弱力质量与普朗克质量巨大差异的根源，但确实消除了对希格斯粒子质量的巨大量子贡献。

第一个理由是超弦理论。超弦理论包含了超对称，是唯一已知可能重现标准模型粒子的弦理论形式。如果没有超对称，弦理论就不大可能描述我们的宇宙。下一章我们将对此进行全面的探讨。

第二个理由是超对称理论有可能解决等级问题。超对称不一定能够解释弱力质量与普朗克质量巨大差异的根源，但确实消除了对希格斯粒子质量的巨大量子贡献。等级问题是一个十分令人伤脑筋的问题，面对这一问题，很少有提议能够经得起实验验证和理论推敲。直到额外维度理论被提出成为可能的解决方法之前，超对称是唯一有希望的答案。

至今还没人知道，现实世界中究竟是否存在超对称，而我们现在所能做的就是估量这些候选理论及其结果。只有这样，当实验达到高能量时，我们就会有充分的准备来辨认，支撑标准模型的究竟是什么物理理论。所以，我们现在就来看看可供选择的理论都有哪些。

费米子和玻色子：一种不太可能的对称

在一个超对称的世界里，每一个已知粒子都会与另一个粒子配成一对——即它的超对称伙伴，通过超对称变换，两者可以对调。超对称变换将费米子换成它的玻色子伙伴，或把玻色子换成它的费米子伙伴。我们在第6章中看到，玻色子和费米子是两种截然不同的粒子类型，量子力学理论根据自旋将它们区分开来。费米子是半整数自旋，而玻色子是整数自旋。整数自旋是常见物体在空间旋转都可采取的数值，而半整数自旋是量子力学才有的奇异特征。

在超对称理论里，所有的费米子都可以转换成它的玻色子伙伴，而所有玻色子也都可以转换成它们的费米子伙伴。超对称是描述这些粒子理论的一个特征。如果你弄混了描述粒子行为的方程，通过超对称变换对调了玻色子和费米子，结果方程仍会保持不变。在对称变换前后作出的预言不会存在差别。

乍看上去，这种对称根本不符合逻辑。对称变换应该是使系统保持不变，但超对称变换对调的是明显不同的两种粒子：费米子和玻色子。

尽管我们不会想到对称能够混淆差异这么大的东西，但有几队物理学家还是证明这是有可能的。20世纪70年代，欧洲和俄罗斯的一些物理学家证明：对称可以对调差异很大的粒子，而且在玻色子和费米子对调的前后，物理定律可以保持不变。

这一对称与我们前面所讨论过的对称有点不同，因为它所对调的物质明显有着不同的属性。但是，如果玻色子和费米子以相同数目出现，对称就有可能存在。打个比方，假设有相同数量、不同大小的红色玻璃球和绿色玻璃球，同一种颜色的玻璃球大小都不同。假如你和朋友玩一个游戏，你拿红色玻璃球，朋友拿绿色。如果红、绿玻璃球恰好配对，无论选择哪种颜色，你都不会占优势。但是，如果任一给定大小的红、绿球数量不等，这就不是一场公平游戏了。选择红色还是绿色，对你很重要，而如果你和朋友交换颜色，游戏进展就会大大不同。要想对称成立，每一个大小的玻璃球必须既有红色，也有绿色，而同一大小的两种颜色的玻璃球数量必须是相等的。

同样的道理，只有当费米子和玻色子能够恰好配对时，超对称才有可能。正如要进行对调的玻璃球必须大小相同一样，配对的玻色子和费米子也必须有相同的质量和电荷，而且它们的相互作用也必须由同样的参数控制。换句话说，每一个粒子与它的超对称伙伴必须有相似的属性。如果一个玻色子经受强力，那么它的超对称伙伴也必须经受强力；如果有相互作用涵盖了一定数量的粒子，那么相关作用也应涵盖它们的超对称伙伴。

物理学家之所以认为超对称这么令人兴奋，其中一个原因就是：如果它果真能在我们的世界被发现，那么它将是近一个世纪以来首个新型的时空对称发现。因此，它才被称作“超级的”。在此我将不做数学解释，知道超对称能够交换不同自旋的粒子，就足以推想出一种联系。因为自旋不同，玻色子和费米子在空间旋转时会有不同变换，为了弥补这一差别，超对称变换必须包括空间和时间。

不要以为这就意味着你能够描绘单个超对称变换在物理空间中的样子，即使物理学家也只能从数学描述及其实验结果来理解超对称。我们很快将看到，这着实异常精彩。

超对称的发展历史

如果你想，完全可以跳过这段，因为本节将追溯历史，不会介绍重要的新概念。但是，超对称的发展是一个很有趣的故事，部分是由于：它充分展现了新观点的可变通性以及弦理论和模型构建有时所表现出的相辅相成的关系。弦理论激励着超对称的研究，而超弦理论——最有希望描述现实世界的理论，得到了许多人的认可，只是因为它来自对超引力（包括了引力的超弦理论）的洞察。

1971年，法国物理学家皮埃尔·拉蒙（Pierre Ramond）首次提出超对称理论。他将自己的理论置于一个两维背景之下：一维空间，一维时间，而不是我们（曾经）认为我们所生活的四维世界。拉蒙的目标是找一种使弦理论里包含费米子的方法。由于技术原因，弦理论的最初形式只含有玻色子，但费米子对希望于描述世界的所有侯选理论都是必不可少的。

拉蒙的理论包含了两维的超对称，并最终发展为费米子弦理论。这是他与安德烈·内沃（Andre Neveu）和约翰·施瓦茨（John Schwarz）共同创建的。拉蒙的理论是在西方世界出现的第一个超对称理论，当时苏联科学家也发现了超对称，但由于冷战原因，他们的论文并不为西方世界所知晓。

因为四维量子场论远比弦理论的基础坚实，因此，一个明显的问题就是：超对称在四维世界中是否可能实现？但是，由于超对称被精密地织入时空结构中，要由两维推广到四维，并不是一项轻而易举能完成的任务。1973年，德国物理学家朱利叶斯·韦斯（Julius Wess）和意大利物理学家布鲁诺·朱米诺（Bruno Zumino）创建了一个四维超对称理论；在当时的苏联，两位物理学家沃尔科夫（Volkov）和阿库洛夫（Akulov）也独立得出了另一四维超对称理论。但是，冷战再一次阻断了观念的交流。

这些先驱们创建了四维超对称理论后，立即引起了更多物理学家的关注。但是，1973年的韦斯-朱米诺模型并不能完全兼容标准模型的所有粒子，还没有人知道怎样将承载力的规范玻色子加进四维超对称理论。1974年，意大利物理学家瑟吉奥·费拉拉（Sergio Ferrara）和布鲁诺·朱米诺解决了这一问题。

2002年，在我们参加完弦理论会议，乘火车由剑桥去往伦敦时，瑟吉奥告诉我如果不是超空间（时空的抽象扩展，另外包含了一个费米维）的形式，要发现正确的理论几乎是不可能的。超空间是一个极其复杂的概念，我不打算描述它。重要的是，这一全然不同类型的维度（并非空间维度）在超对称的发展中发挥了极为重要的作用。这一纯理论的工具今天仍在继续简化超对称的计算。

费拉拉-朱米诺理论告诉物理学家怎样在一个超对称理论里包含电磁力、弱力和强力，但超对称理论仍没有包含引力。所以，超对称理论仍存在一个问题：它是否能够兼容剩下的这一作用力。1976年，瑟吉奥·费拉拉、丹·弗里德曼（Dan Freedman）和皮特·范·纽文豪生（Peter Van Nieuwenhuizen）三位物理学家创建了超引力理论，解决了这一问题。这是一个包含了引力和相对论的复杂的超对称理论。

有趣的是，在形成超引力论的同时，弦理论也在独立地发展着。在弦理论的一项重要理论成果里，斐迪南多·格里奥兹（Ferdinando Gliozzi）、乔尔·谢尔克（Joel Scherk）和戴维·奥利弗（David Olive）等人发现了一个稳定的弦理论，这是雷蒙与内弗、施瓦茨等人创建的费米子弦理论的自然发展。结果发现，费米子弦理论包含了一类人们以前只在超引力中才会遇到的粒子。新粒子与引力子的超对称伙伴——引力微子有着相同的属性，最终证明它果然就是引力微子。

由于超引力的同步发展，物理学家抓住了这两个理论的共同元素，并很快认识到，超对称就存在于费米子弦理论中。这样，超弦理论诞生了。

在下一章里，我们将回到弦理论和超弦理论。现在，我们将重点来看超对称的其他重要应用：它对粒子物理和等级问题的作用。

标准模型的超对称延伸

如果能将已知粒子配对，超对称将是最经济、最吸引人的。但是，想要变成现实，标准模型必须包含相同数量的费米子和玻色子——而它却不符合这一标准。这就告诉我们，如果宇宙是超对称的，那么它一定还包含着更多的新粒子。事实上，它所包含的粒子数量，至少是我们迄今实验测知的两倍。标准模型里的所有费米子——三代夸克和轻子，一定都配有它们新的还未被发现的玻色子超对称伙伴；而规范玻色子——传递力的粒子，也一定有它们的超对称伙伴。

在一个超对称宇宙里，夸克和轻子的伙伴应是一些新的玻色子，因为物理学家喜欢一些古怪（却系统）的命名方式，便称它们为超夸克和超轻子。总的来说，费米子的玻色子超对称伙伴都与它有着相同的名字，只是在其前面加了一个“超”（S）。例如，电子与“超电子”配对；顶夸克的伙伴是“超顶夸克”。每一费米子都有一个玻色子超对称伙伴，即与它配对的超“费米子”。

这些粒子的属性与它们的超对称伙伴严格一致：玻色子超对称伙伴与它们对应的费米子有着相同的质量和电荷，也有相关联的相互作用。例如，如果电子的电荷是-1，那么超电子的电荷也是-1；如果中微子通过弱力相互作用，那么超中微子也是如此。

如果宇宙是超对称的，那么玻色子一定也有它的超对称伙伴。标准模型里的已知玻色子都是力的承载者：光子、弱玻色子W和Z、胶子，它们的自旋都是1。超对称的命名方式规定，新的费米子超对称伙伴，应与它们对应的玻色子有相同的名称，只是加一后缀“微子”。因此，规范玻色子的费米子伙伴就是“规范微子”：胶子的费米子伙伴是胶微子，希格斯子对应的是希格斯微子。就如玻色子超对称伙伴一样，费米子超对称伙伴也与它对应的玻色子有着相同的电荷和相互作用。而且，如果是绝对超对称，还会有相同的质量（见图13-1）。

你可能会觉得奇怪，既然从没人发现过超对称伙伴，物理学家为什么对超对称的存在深信不疑？某些同事的信心也常令我感到惊讶。但是，除了超对称从未在自然界中被发现过外，还有许多原因让人对其存在持怀疑态度。瑟吉奥·费拉拉是第一批从事超对称研究的物理学家之一，在去往伦敦的火车上，他对我说：“像这么一个令人称奇又引人入胜的理论构建，在研究宇宙的物理学理论中没有发挥任何作用，实在是令人难以置信的。”这代表了许多物理学家的观点。

其他物理学家并不完全相信对称的完美，但他们相信超对称主要是因为标准模型的超对称延伸所带来的益处：与非超对称的理论不同，它们维护了轻希格斯粒子和质量的等级。

图13-1　粒子和其超对称伙伴。

超对称与等级问题

标准模型里的等级问题也可以这样问：希格斯粒子为什么这么轻？虚粒子对其质量的量子贡献如此巨大，怎么可能会有这么轻的希格斯粒子？这庞大的量子贡献告诉我们，只有加进一个庞大的、不合情理的参数，标准模型才会发挥作用。

标准模型的超对称延伸的一大优点是，当既有来自粒子也有来自超对称伙伴的虚粒子贡献时，超对称保证不会出现那种使轻希格斯粒子几乎不可能的巨大量子贡献。超对称理论的相互作用只有那些关联的费米子和玻色子的相互作用。正是由于这些限制，超对称理论不含有对粒子质量的大量子贡献问题。

在超对称理论里，对希格斯粒子质量贡献的虚粒子不仅是标准模型的虚粒子，而且其虚的超对称伙伴也有贡献。由于超对称的这一显著特征，两种贡献相加总是零。给希格斯粒子质量量子贡献的虚费米子和玻色子恰好相等，这样，它们各自的大贡献便保证能互相抵消。费米子的贡献值为负，恰好能抵消玻色子的贡献值。

图13-2阐释了这样的抵消。其中有两种虚粒子，一个是虚顶夸克，另一个是虚超顶夸克，它们都会给希格斯粒子质量带来很大贡献。但在超对称理论里，由于粒子和相互作用之间的特殊关系，来自顶夸克和超顶夸克的对质量的大量子贡献相加为零，这样它们就被抵消了。

图13-2　在超对称理论中，希格斯粒子质量得到的量子贡献既来自粒子，也来自超对称粒子。在这一图示里，左图是一个虚顶夸克和一个虚反顶夸克；右图是一个虚超顶夸克和一个虚反超顶夸克。两个图例看上去不同，是因为费米子和玻色子的相互作用是不同的。但是，当两个图例里给希格斯粒子质量作出的贡献相加时，它们便相互抵消了。

在非超对称理论里，巨大的量子贡献会摧毁低能量上的弱电对称破缺，除非引入一个巨大的不太可能的参数使大量子贡献相加得到一个很小的数值。但标准模型的超对称延伸则保证，图13-2所示的任何潜在不稳定影响的总和都为零。希格斯粒子的小经典质量值保证了其中包含量子贡献的真实质量仍然会很小。

超对称就像是标准模型的一个灵活而又稳定的基础。如果把标准模型的微调看作将铅笔尖朝下立起来所需做的平衡，那么超对称就像是一根将铅笔固定的细线。或者，如果你把等级问题看作移民局官员的越职审查，由此延误了许多信件，那么超对称伙伴就像是保护公民自由的检察官，他们给移民局官员以一定的限制，让大多数信件得以迅速通过。

由于常见的虚粒子贡献与超对称粒子贡献相加为零，超对称就保证了虚粒子的量子贡献不会将低质量粒子从理论中排除出去。在超对称理论里，即使将虚贡献考虑在内，被假定应该轻的粒子（如希格斯粒子）仍会保持很轻。

破缺的超对称

超对称破缺

超对称仍存在一个严重问题：很显然，世界不是超对称的。这并不意味着我们必须放弃超对称的观点，但它意味着，假设自然中存在，超对称不可能是一种绝对对称，就如伴随弱电统一作用力的局域对称一样，超对称也必须破缺。

尽管超对称有可能解决希格斯粒子质量的巨大虚贡献问题，但就目前我所提出的形式，超对称仍存在一个严重问题：很显然，世界不是超对称的。怎么可能是呢？如果存在与已知粒子相同质量、相同电荷的超对称伙伴，它们早就被发现了，但没人见过超电子或是光微子。

这并不意味着我们必须放弃超对称的观点，但它意味着，假设自然中存在，超对称不可能是一种绝对对称，就如伴随弱电统一作用力的局域对称一样，超对称也必须破缺。

理论推理显示，超对称可以被没有完全相同质量的粒子和它们的超对称伙伴所打破；微小的超对称破缺效应就能将它们区分开来。粒子与其对应的超对称伙伴之间的质量差异，由超对称的破缺程度来控制。如果超对称只是微弱破缺，那么质量差异会很小；如果破缺严重，则差异很大。事实上，粒子与超对称伙伴的质量差异大小，是描述超对称破缺程度的一种方式。

几乎在所有超对称破缺模型里，超对称伙伴的质量都要比已知粒子大。这很幸运，只有这样，超对称才能与观察结果相符，才能解释我们为什么还未发现它们。重粒子只有在高能量下才能产生，那么可以想见，如果超对称存在，对撞机还没有达到足够的能量生成它们。因为实验探索的能量已达到几百GeV，至今仍未能发现超对称伙伴的事实告诉我们，它们如果存在，质量至少有那么大。

超对称伙伴超过什么质量才能不被探测到，这要取决于那一特定粒子的电荷和相互作用。相互作用越强，粒子越容易生成，因此，为了避免被探测到，相互作用较强的粒子一定会比那些较弱的粒子更重。如今的实验对大多数超对称破缺模型的限制告诉我们，如果超对称存在的话，所有超对称伙伴的质量一定要超过几百GeV才不会被发现。那些要经受强力的超对称伙伴，如超夸克，甚至会更重——其质量至少有1 000 GeV。

希格斯粒子质量之谜

正如我们看到的，给希格斯粒子质量的量子贡献，在超对称理论里并不是一个问题，因为超对称保证了它们相加为零。但是，我们也看到，若要在现实世界存在，超对称必然会产生破缺。因为，在超对称破缺模型里，超对称伙伴与其对应的标准模型粒子质量不同，所以，给希格斯粒子质量的贡献就不像精确超对称时那般严格平衡。因此，当超对称破缺时，虚粒子贡献不再恰好抵消。

但是，只要给希格斯粒子质量的量子贡献不那么大，标准模型就不必依赖微调或附加参数。即使超对称破缺——只要作用不大，标准模型仍能包含一个轻希格斯粒子。即便超对称有轻微破缺，也足以消除由高能量虚粒子带来的普朗克质量的巨大贡献，有少量的超对称破缺，还无须超乎寻常的抵消作用。

我们希望超对称破缺足够小，这样就可以保证超对称伙伴与标准模型粒子之间的质量差异很小，以避开附加参数。结果是，虽然来自虚粒子与其超对称伙伴的量子贡献并不等于零，但也不会远远超出超对称破缺质量差。这告诉我们，粒子与其超对称伙伴之间的质量差异大约应是弱力级质量。在这种情况下，给希格斯粒子质量的量子贡献也大约应是弱力级质量，这正是希格斯粒子所应具备的恰当质量。

因为标准模型的已知粒子都很轻，超对称伙伴与标准模型粒子之间的质量差异应与超对称伙伴的质量差不多，因此如果超对称解决了等级问题，那么超对称伙伴的质量也不会超出250 GeV很多。

如果超对称伙伴质量与弱力级质量大约相同，给希格斯粒子质量的量子贡献也不会太大。在非超对称情况下，量子贡献超过了16个数量级，所以需要一个庞大的、令人难以接受的附加参数来维持希格斯粒子的小质量；而超对称世界则不同，几百GeV的超对称破缺质量，不会给希格斯粒子质量产生过大的量子贡献。

希格斯粒子以及其所有超对称伙伴的质量都不能超过几百GeV（为不致引起大量的量子贡献）。这一要求，再加上实验已在开始寻找质量大约为几百GeV的超对称伙伴，都告诉我们，如果超对称在自然界中存在并解决了等级问题，那么超对称伙伴的质量一定是只有几百GeV。这非常令人振奋，因为超对称的实验证据似乎触手可及，很快就会在粒子对撞机里出现。现在的对撞机能量只要再增大一点，就足以达到能够生成超对称伙伴的能量。

LHC所要探索的就是这一能量范围，它要找的是质量达到几百GeV的粒子。如果LHC没有发现超对称，那么就意味着超对称伙伴还是太重了，无法解决等级问题。由此，超对称方案就将会被排除。

但是，如果超对称能够解决等级问题，这将是一项意外的实验收获。探索能量达到1 TeV（1 000 GeV）的粒子加速器会发现，除了希格斯粒子外，还有许多标准模型的超对称伙伴，我们会看到胶微子、超夸克、超轻子、W微子、Z微子和光微子，所有这些新粒子都会与标准模型粒子有相同的电荷，只是要更重一些。有了足够的能量和对撞，这些粒子都应该出现。如果超对称正确，我们会看到它“梦想成真”。

超对称：称量证据

这就留给我们一个突出的问题：自然界中存在超对称吗？陪审团还未入场，没有更多的证据，一切都只能是猜想。但此刻，辩方和控方都持有对各自有利的论据。

我们已提到了相信超对称的两个强有力原因：等级问题和超弦理论。支持超对称的第三个有力证据是，力有可能在标准模型的超对称延伸里统一起来。正如第11章讨论过的，电磁力、弱力和强力的相互作用强度要依赖于能量。尽管乔治和格拉肖原来发现标准模型的力统一了，但更为准确的测量显示，标准模型的统一并不是很有效。图13-3上图显示的是作为能量函数的三种作用强度的图。

图13-3　标准模型与超对称标准模型。上图表现的是，在标准模型里，作为能量函数的电磁力、弱力和强力的作用强度：三条曲线逐渐靠近，却并未相交于一点。下图表现的是，在标准模型的超对称延伸里，同样的三种力作为能量函数的作用强度：在高能量上，三种力的强度是一样的，这表明三种力有可能统一为一种力。

但是，超对称引出了通过这三种力相互作用的许多新粒子，这改变了力对距离（或能量）的依赖关系，因为超对称伙伴还会作为虚粒子出现。这些额外的量子贡献进入重整化群计算，并影响了电磁力、弱力、强力等相互作用强度对能量的依赖。

图13-3下图显示的是，当将虚的超对称伙伴作用包括在内时，相互作用强度随能量会产生的变化。值得注意的是，有了超对称，三种力似乎比以前更为精确地统一了起来。这比早先的统一尝试更为重要，因为我们现在对相互作用强度的测量更为准确。三条线的相交可能属于巧合，但它也可以被看作支持超对称的证据。

超对称理论的另一个优点是，它们包含了暗物质的一个有力的候选者。暗物质是遍布于宇宙的不发光物质，是通过其引力作用发现的。即便宇宙中有大约1/4的能量储存于暗物质中，但我们仍不了解它究竟是什么。[52]一个不会衰变且有恰当质量和作用强度的超对称粒子，可能会是合适的暗物质候选者。事实上，最轻的超对称粒子不会衰变，它们可以具有恰当的质量和相互作用，从而成为构成暗物质的粒子。它可能是光微子，即光子的伙伴；或者，在我们后面将探讨的额外维度图景里，它也可能是规范玻色子W的伙伴——W微子。

但是，超对称并非无懈可击。对超对称最强有力的反驳是，无论希格斯粒子还是其超对称伙伴，都尚未被发现。虽然超对称伙伴也许很快就会被发现，但如果说超对称解决了等级问题，而我们竟尚未观察到它，那么就完全难以理解了。实验已达到了几百GeV的能量，尽管超对称伙伴肯定更重一点，但并没有理由如此。事实上，从解决等级问题的角度来讲，更轻的粒子更为适宜。如果说超对称解决了等级问题，那么为什么我们至今仍未能找到超对称伙伴？

从理论方面探究，超对称也不十分令人信服。因为它的破缺方式，仍是一个未解之谜。我们知道它肯定是自发破缺，但就如标准模型和弱力对称的破缺一样，我们尚不清楚究竟是哪些粒子引起了破缺。很多人提出了一些新奇的观点，但我们仍在期待一个更加令人满意的四维理论。

第一次接触超对称时，从模型构建角度来看，我发觉它似乎是太过简单了。因为没有量子贡献，超对称理论似乎可以包含完全不相干的质量，即使我们不明白质量差异为什么会出现，它们也不会带来任何问题。从模型构建角度来看，这很令人失望，因为对于还未确定的基本理论来说，它没有提供任何线索，而且，我们在模型构建过程中没有遇到任何挑战，这也显得很无趣。

但是，在这之后我遇到了超对称的“味”问题，这说明它肯定不对。事实上，你很难让一个对称破缺理论的具体细节产生效力。这一问题虽然微小，但非常重要。对于超对称破缺的简单理论，味对称问题是一个重要障碍。所有超对称破缺的新理论都集中在这一点上，我们会在第17章看到，为什么说额外维度里的超对称破缺是一种可能的解决方法。

现在我们回顾一下，标准模型里费米子的味是有着相同电荷却质量不同的三代不同的费米子。例如，上夸克、奇夸克和顶夸克；再如，电子、μ子和t子。在标准模型里，这些粒子的身份是不会改变的。例如，μ子永远不会与电子直接相互作用，它们只能通过弱规范玻色子的交换间接地作用。尽管μ子可以衰变成电子，这只是因为衰变产生了一个μ子中微子和一个电子中微子（如图7-7所示），μ子永远也不会不经释放相关的中微子而直接转化成电子。

特定类型的轻子的身份不会发生变化，对此，物理学家的表达方式是，电子或μ子数将保持不变。我们指定电子和电子中微子的电子数为正，而正电子和电子反中微子的电子数为负；指定μ子和μ子中微子的μ子数为正，而反μ子和μ子反中微子的μ子数为负。如果μ子和电子数保持守恒，那么μ子便永远也不可能衰变成电子和光子。如果真是那样，我们会以正μ子数和零电子数开始，而以正电子数和零μ子数结束。事实上，从没有人见过这种衰变。就我们所知，所有的粒子相互作用，电子和μ子数都将保持不变。

在超对称理论里，电子和μ子数守恒告诉我们，尽管如μ子和超μ子一样，电子和超电子也可以通过弱力相互作用，但电子永远也不会直接与一个超μ子相互作用。不论出于什么原因，如果电子和超μ子配对，或是μ子与超电子配对，就会引发在自然界根本不可能出现的相互作用，比如，μ子会衰变成一个电子和一个光子。

这里的问题是，尽管在真正的超对称理论里不会发生味改变的相互作用，但一旦超对称破缺，μ子和电子数守恒即得不到保证。在一个超对称破缺的理论里，超对称相互作用会改变电子和μ子的数量——这有悖于实验结果。这是因为，超对称伙伴的大质量玻色子并不像它们对应的费米子一样，身份感很强。在超对称理论里，它们所拥有的质量允许超对称玻色子可以相互混淆身份。例如，对应μ子的，不仅可以是超μ子，还可以是超电子。但超电子与μ子的配对，就可能会产生我们从未见过的各种衰变。任何有关自然的正确理论里，改变μ子或电子数的相互作用一定很微弱（或者根本不存在），因为我们从未发现过这种相互作用。

夸克也会遇到类似的问题：当超对称破缺时，夸克的味不会守恒，而且会导致危险的世代混杂，也就是篇首故事里艾克担心的那样。自然界里确实会发生某些夸克的混杂，但其程度却远远要小于超对称破缺理论的预言。

这种味改变的相互作用在自然界里极少出现，解释这一问题，是超对称破缺理论面临的一个严峻考验。不幸的是，大多数超对称理论都不能解释为什么这种味改变的效应并没有出现。这是不允许的：理论要与自然一致，必须禁止这种身份混淆。

如果你仍不太明白，也许听到以下这一事实，你就宽心多了，许多物理学家最初也有同样的感觉，而且也没有把超对称的味问题看得有多重要。简单地说，看法的不同可以根据地域来划分：欧洲人不像美国人看得那么严重。

多年来，我们一直在从其他背景下思考味问题，了解这一问题多么难以解决；而许多人从一开始就忽略了“无政府主义原理”的含义，因而不理解我们为什么小题大做。现在在西雅图核理论研究所工作的一位杰出的物理学家戴维·卡普兰（David B.Kaplan，我读研究生时的第一个合作者），从1994年密歇根国际超对称会议回来后，就向我讲述了他的沮丧：会上，他对听众解释了自己提出的味问题的解决方案，过后才发现，根本没几个人认为那有什么问题！

这很快就发生了变化，大多数人现在都意识到了这一问题的严重性。我们很难找到一个超对称破缺理论，能够既不改变粒子身份，又能给所有的超对称伙伴必要的质量。要成功解决等级问题，超对称理论面临着一个巨大的困难：怎样使对称破缺，而又能防止产生味改变。μ子、电子（和夸克）数量的不守恒听上去有点过于专业，但它的确是超对称破缺的一大障碍，真的很难防止超对称伙伴的互相转变，对称通常是无力阻止它的。

因此，我们再次返回主题：有对称的理论是完美的，但描述我们可见世界的对称破缺应该同样完美。超对称为什么破缺？又是如何破缺的？只有一个完美的超对称破缺模型被构建起来后，我们才能够迎接理论挑战，理解超对称。

这并不是说超对称一定是错的，或者说它根本不能解决等级问题。但这确实意味着，超对称理论要成功地描述世界，还需要其他元素。很快我们将看到，这其他元素可能就是额外维度。

●超对称从根本上使粒子增加了一倍：在此理论里，对应每一个玻色子，超对称都会配给它一个费米子伙伴；而每个费米子，都会对应一个玻色子伙伴。

●如果没有超对称，量子力学很难维持一个小质量的希格斯粒子，从而使标准模型发挥作用。在额外维度理论出现之前，超对称是解决这一问题的唯一已知办法。

●超对称不一定告诉我们希格斯粒子为什么轻，但它确实使轻希格斯粒子的假设听起来有一定道理，从而解决了等级问题。

●标准模型粒子与它们的超对称伙伴对希格斯粒子的巨大虚贡献相加为零，因此，在超对称理论里，轻希格斯粒子就不再成问题。

●即便超对称有可能解决等级问题，但它也不可能是精确对称的。倘若是这样，超对称伙伴就会与标准模型粒子有相同的质量，我们早就该在实验中发现超对称的证据了。

●如果存在超对称伙伴，它们的质量一定会比其对应的标准模型粒子质量大。高能对撞机只能生成一定质量的粒子，这些对撞机可能还没达到足够的能量生成它们，这就解释了为什么我们还没能找到它们。

●一旦超对称破缺，就会产生味改变的相互作用。这些过程将夸克或轻子变成了有着相同电荷的另一代的夸克或轻子（只是质量发生了改变）。这是一个很奇怪的过程——它会改变已知粒子的身份，而这在自然界里极少发生。但大多数超对称破缺理论都预言这会经常发生——远远超过了我们的实验所见。