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要杀死一个看上去很美的物理理论,并不一定需要找到反例

2018年10月29日 天文物理 ⁄ 共 2394字 ⁄ 字号 暂无评论

利用统计手段我们可以“温柔”地杀死一个超对称模型。

 要杀死一个看上去很美的物理理论,并不一定需要找到反例

 

何谓“科学进展”?它意味着什么?我们该如何取得科学进展?

 

显然,方法之一是改良实验、更精确地测量物理现象,并设计新实验来探索未知领域。但是我们能从测量本身学习到什么?我们能证实一个科学理论吗?并不能。

 

像“所有的天鹅都是白的”这样的陈述就无法被证实,除非我们确保每一只天鹅都被检查过了。从历史上看,牛顿力学和引力定律曾是居于统治地位的自然理论,两百多年来成功通过了无数测量的考验。能做到这一点的理论的确很成功,但仍不能说已被证实。在无穷高的精度下,针对宇宙中每一种情况测试牛顿定律是不可能做到的。大约在1900年,随着对行星动力学(例如水星轨道)的测量精度不断提高,在加上精密的实验没有发现所谓的“以太”,牛顿定律的地位发生了戏剧性的变化。这些结果证明,牛顿理论并不准确——黑天鹅被发现了!爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论代替了牛顿力学,它们能更好地描述物体的运动规律,但也不能确保就是正确无误的。

 

证明某个理论能够描述自然的未知领域,着实是一件令人振奋的事情。2012年大型强子对撞机(LHC)发现希格斯玻色子就是一个例子。预言希格斯玻色子存在的粒子物理学标准模型是在40多年前提出的。看来,这个理论窥见了大自然的真实运行规律,预见到了它在之前的实验条件中无法展示出的一面。

 

难道这还不能说明标准模型是正确的吗?很遗憾,答案是“不能”,因为我们已经有了新的“黑天鹅”:暗物质。暗物质的存在证据充分,例如普朗克卫星最近发来的测量结果。那为什么我们还在用标准模型?原因令人烦恼:它可以准确描述其他所有的测量结果——说句实话,就是因为我们还没能找到适用范围更广的新理论。

 

我们真的还没找到吗?超对称理论呢?超对称理论包含了标准模型,能解决希格斯粒子质量的等级问题,也可以很容易地纳入暗物质。超对称理论预测了新的现象(尚未证实),但是它也修改了标准模型中某些已知物理过程的细节,例如希格斯波色子不同衰变方式之间的比率——就像相对论改变了对水星轨道的预言一样。因此,如果我们能在LHC中对这些过程进行足够精确的测量,也许就可以判断超对称理论和标准理论孰对孰错。

 

或者说,我们可以设法证伪超对称理论。但是,具体该如何去做呢?我们建议使用温柔一点的方法。我们近期的论文“温柔地杀死cMSSM”中排除了一种被广泛研究并极具预言性的超对称理论:约束最小超对称标准理论(constrained Minimal Supersymmetric Standard Model, cMSSM)。我们是怎样温柔地下手的呢?

 

答案是:概率。想像一下,詹姆斯·邦德去赌场玩轮盘赌,在这种时候,概率问题总是必须面对的。今天,邦德有点儿烦,他决定只在红色上押注。在公平的游戏中,结果是完全随机的。如果忽略绿色的0,那么转到红色和黑色的概率都是50%。然而,当邦德连续在红色下注时,转轮碰巧接连转出了黑色。如果他仅仅看结果,他一定会好奇轮盘上是否真的有红色格子?在n轮游戏中全都转到黑色的概率是0.5的n次方。连续十次出现黑色的概率大概是1/1000。这意味着,邦德得重复1000次这样连续10轮的游戏才能从概率上指望出现一次十连黑,这前提是轮盘没有问题,庄家也没有作弊。邦德玩过10轮后,发现10轮游戏都转到了黑色,这意味着轮盘和庄家没有问题的概率只有0.1%。所以,邦德该不该把枪掏出来呢。

 

在论文“温柔地杀死cMSSM”中,我们也运用了类似的策略,只不过要稍微复杂一些,因为潜在的几率并非简单的五五开。相反,我们采用了一种叫“全局拟合”的策略:如果cMSSM是正确的,那么它不仅能预言一系列新粒子(例如暗物质),也可以准确预测粒子的性质,以及已知物理过程与标准模型预言的确切偏差。如果我们同时进行多次测量,我们可以估算出标准模型正确预测了所有物理过程的可能性有多大,或cMSSM模型的预测更加准确的概率有多高。由于所有的预测都是统计性的,因此这看起来就像是詹姆斯·邦德在玩一个复杂的轮盘赌博游戏。

 

cMSSM有5个参数,我们考虑了27种测量;需要做的统计运算在2000台计算机上跑了数个月。运行结果显示,cMSSM前景不妙。问题在于,某些测量的结果更倾向于更轻的超对称粒子。尤其是在强磁场中对μ子行为的测量,μ子是轻子家族中比电子更重的那一代。另一方面,LHC的直接搜索没有发现新的超对称粒子,对此最简单的解释就是那些粒子太重,以LHC的能量还无法制造出来。需要牢记的是,这些倾向实际上都是统计性的,就像轮盘赌一样。但是,这些预期概率之间的冲突表明,cMSSM确实面临着两难困境:

 

要杀死一个看上去很美的物理理论,并不一定需要找到反例

图片来源: http://arxiv.org/abs/1508.05951 制图:Bechtle等

 

对μ子磁特性的测量表明模型应该符合上图右侧的数据点。而我们没有发现希格斯玻色子的属性偏离标准模型的预测,也没有在LHC中发现cMSSM所预测的新粒子,根据这些测量结果拟合出的模型则是在蓝色区域,即上图的中部。这显然是不匹配的,但也有可能是极小概率事件,就像转轮游戏中的10连黑。现在,我们首次计算出了cMSSM的5个参数各种可能组合的概率有多低。据此,我们得出了悲观的结论:根据LHC中得出的数据,我们排除掉了一个完整的超越标准模型的物理学模型,而不仅仅是把一个模型约束在更小范围的参数空间里。我们没有发现黑天鹅,但是我们“温柔地杀死了”这个模型,就像我们说的,仅仅基于统计学。(撰文:Herbi Dreiner Philip Bechtle 翻译:张旭阳 审校:杨一森)

 

原文链接:

http://www.theguardian.com/science/life-and-physics/2015/dec/14/killing-a-physical-theory-softly-roulette-style


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