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超对称散记

来源:网络资源 2009-09-02 14:06:03

  超对称散记

  为什么我们需要超对称?一开始这不是问题,因为伴随着弦论,它被作为副产品弄出来了。但是后来人们发觉可以利用超对称粒子来消除标准模型粒子在截断能标提高时对Higgs粒子的质量的修正,也就是可以用以解决臭名昭著的“规范等级问题”。有效场论的观点使我们将标准模型作为一个低能有效场论,参数都具有标度依赖性,所谓的常数已经不是常数,质量,耦合常数是跑动的。

  物质粒子和中间玻色子因为手征对称性的保护,问题没有Higgs粒子严重,因为后者没有这种对称性的保护,因此严重依赖于截断能标,伴随能量的急剧提高,质量也迅速变化,到了GUT或者Planck能标,问题就越发严重。但是由于标准模型的其他所有粒子都直接或者间接从Higgs粒子中获取能量,随着Higgs粒子质量的变动,整个标准模型粒子质量谱也要跟着变动,于是整个标准模型都会遭殃。

  如果我们引入超对称粒子,且假设超对称严格成立,那么粒子与对应的超对称粒子质量完全相同,于是可以在任意圈图水平上消除平方发散。由于现实中未曾发现与标准模型粒子质量完全相同且自旋相差1/2的粒子,因此超对称必须是破缺的,也就是说粒子质量和对应的超对称粒子质量不相等。

  在引入超对称之后,平方发散项会自然抵消,但是如果超对称粒子质量远大于与其对称的标准模型粒子,那么对数项仍然会导致灾难性的发散结果,于是很多高能物理领域的学者出于这个原因,期望超对称粒子的质量在1TeV附近,甚至能够在100GeV-800GeV之间,标准模型中的Z粒子质量大约是90GeV,超对称粒子质量若在1TeV附近这个能区内,就是所谓的“低能超对称(low-energySUSY)”。

  如果低能超对称被排除,而我们又没有其他更好方案解决规范等级问题,却仍然希望有超对称,那么超对称粒子的质量可能就远大于1TeV,那么我们仍然要用精细调谐(finetuning)手段来消除辐射修正中对数项里因为超对称粒子与对应的标准模型粒子的巨大质量差引起的发散,那么这与标准模型采用的精细调谐(finetuning)手段其实算是五十步笑百步了。所以,很多人希望存在低能超对称,自然,希望有更多事情可干的人,他们的希望就完全相反。

  由于在“超越标准模型”方面存在不少相互竞争的方案,那些与超对称竞争的方案基本上直接以不用或者基本不用精细调谐方法却可以消除规范等级问题为目标。对于这些方案的研究者而言,低能超对称就算不存在也不碍事,等级问题交给大额外维等方案解决也可以。所以可以相信存在FocusPointSUSY(FPSUSY)或者splitSUSY(sS)。这两种方案都允许存在大质量的超对称粒子。

  大约半年前时,读Peskin等人关于超对称的研究文章时,他们提到了相信低能超对称的原因很大程度上是为了避免精细调谐,我问sage兄原因,sage兄说这是一个很大的问题,以后再细致讨论,前几天说SUSY方面的学者比较狡猾,万一低能SUSY挂了,还有FPSUSY或者sS,sage兄建议我们到观星楼来讨论这个问题。现在是时候了,因为前段时间在换装备,现在可以静下心来读点书,写点东西了,不然天天去风雨亭和雕龙苑骗积分实在不厚道。

  的确,我们现在其实已经要面对精细调谐问题了,LEP2的工作对超对称粒子的质量参数给出了一定限制。很多粒子物理学家和天体物理学家倾向于相信Neutralino可以作为冷暗物质(ColdDarkMatter,CDM)的有力候选者。MSSM中由于假定了R-Parity的守恒,使得最轻的Neutralino在假定了SUSY破却的方式的前提下,可以作为最轻超对称粒子(LSP)。

  LSP的质量问题自然是牵动人心,SPS1a的数据中,LSP的质量大约是100GeV。通常还假设tau子的超对称伙伴“标量tau(stau)”或者top夸克的超对称伙伴“标量top(stop)”作为倒数第二轻超对称例子(NLSP),LSP与NLSP的质量隙是很重要的参数,决定了衰变模式。LSP与粒子间的作用都很弱,因此在实验中只能以通过对“遗失能量”的计算观察来确定。

  由于LEP2的排查工作,质量小于100GeV的LSP基本上被排除,在此之前,LSP的质量下限可低到60GeV左右,现在这样的好日子早就不复存在了。更要命的是,SPS1a的数据只不过是无数参数中选定一组作为一个比较方便的参考而已,根本不足以说明超对称粒子一定这么轻。

  Fermilab的TeVatron仍然在2TeV的质心能量上死撑,强子对撞机的能量可调性远比轻子对撞机差,最要命的是,真正起作用的是其中的“部分子(parton)”,正负质子对撞时,有效能量也就是质心能量的一半不到,加上超对称粒子本就是“出双入对”,因此要制造出超对称粒子,除非大自然真的偏爱SPS1a,一般而言,那是很多粒子物理学家的偏爱。MSSM的拉式量可以分割为超对称部分和超对称破却部分,超对称部分的拉式量中耦合常数与对应的标准模型耦合常数是相同的,因此这个部分的拉式量的任意性很小,但是超对称破却部分却包含了很多几乎是任意的参数。

  如果低能超对称粒子存在且质量谱接近SPS1a数据,那么TeVatron上有希望发现不涉及color作用的超对称粒子和第三代标量费米子,即Chargino和Neutralino,stop,sbottom,stau等。而其余的“好色”超对称粒子我们希望大型强子对撞机(LHC)能够发现,所以TeVatron上工作的各位筒子必须加把劲,因为或许过得两三年,估计连最容易得到的那杯羹都轮不到自己了。LHC质心能量高达14TeV,对于5TeV以下的新粒子基本可以制造,至于能否发现制造出的重要粒子,很大程度上要看各种产生道的本底是否可以压低到可以提取足够信号的程度。

  国际直线对撞机(ILC)的专家们使劲鼓吹ILC的优点,但是可惜的是能量上不占优势(1TeV),这样的能量层次,即使可以全部用于产生新例子,最多也只能制造出能量低于500GeV的超对称粒子。如果ILC能够建成,那么其任务就是在于精确测定超对称粒子的质量,自旋以及耦合常数,散射截面,混合角(除了胶子(gluon)的超伙伴胶微子(gluino)之外,其他所有超对称粒子都存在混合效应,这是由于超对称破却和弱电破却引起的。因此测定混合角也是极其重要的)等等,这些测量工作LHC也可以很好完成,当然在精度上不会有所欠缺。

  再说说sS方案,在这个方案中绝大部分未发现粒子都有巨大的质量,因此可以躲过LHC的否定(如果LHC给出否定结果的话),但是仍然有微调好的最轻Higgs粒子在低能区。如果我们发现了这种Higgs粒子,接下来的问题就是判断其到底是标准模型中的Higgs还是SUSY中的Higgs。直线对撞机在分辨二者的width方面可以做得比强子对撞机好,尤其是比正负电子对撞机还要遥远的光子对撞机,可能做得更漂亮,所以直线对撞机虽然还要等一些时日,但是至少值得等,只是各国政府是否舍得砸钱就是问题了。

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