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标准模型|理论物理学中最大的未解之谜：为什么引力如此微弱( 二 )


但是 ， 我们已经开始以更高的能量获取数据——从原来的一半提高到13 / 14兆电子伏 ， 试图以此去找到更多未知的东西 。 在此之前 ， 请考虑到这一点 ， 对于我们即将探索的级列问题什么是可能的、合理的解决方案?
标准模型|理论物理学中最大的未解之谜：为什么引力如此微弱
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图片来源:DESY在汉堡 。

1)超对称性 ， 简称超对称性 。 超对称性是一种特殊的对称性 ， 它会导致任何粒子的正常质量大到与重力的强度与其他力相当然后被抵消 ， 而且精度很高 。 对称性还意味着 ， 标准模型中的每个粒子都有一个超粒子伙伴 ， 并且有5个希格斯粒子和5个希格斯超级伙伴 。 如果这种对称性存在 ， 那么在此它一定是被打破了 ， 否则超伴星的质量就会和正常粒子的质量完全一样 ， 以至于无法像现在这样被我们所发现 。
如果SUSY要以适当的规模存在以解决等级问题 ， 那么LHC一旦达到14 TeV的全部能量后 ， 应该至少找到一个超级合作伙伴 ， 以及至少第二个希格斯粒子 。 否则 ， 超级合作伙伴的存在会产生另一个困惑且没有解决方案的等级问题 。 (对于那些想知道答案的人来说 ， 如果在所有能量下都没有SUSY粒子那么弦理论将失效 ， 因为超对称性是包含粒子标准模型的弦理论的一个条件 。 )
这是第一个可能解决级列问题的方法 ， 目前还没有依据支持 。
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图片来源:J.R. Andersen等人(2011) ， LHC发现彩色颗粒的第一份黑色报告 。

2) 彩色印片（technicolor） 。 这不是指20世纪50年代的卡通; 彩色印片（technicolor）是一个术语 ， 指那些需要新的规范相互作用的物理学理论 ， 以及那些要么没有希格斯粒子 ， 要么不稳定/不可观测希格斯粒子的理论 。 如果 彩色印片（technicolor）是正确的 ， 它还需要大量有趣的可观测粒子 。 虽然这在原则上可能是一个合理的解决方案 ， 但发现的希格斯介子在合适的能量下似乎是一个基本自旋为0的标量 ， 将使这个级列问题的可能解决方案无效 。 唯一的出路是 ， 如果希格斯玻色子最终不是一个基本粒子 ， 而是一个由其他更基本的粒子组成的复合粒子 。 LHC即将以13/14 TeV的增强型能量全面运行 ， 这应该足以让我们一探究竟 。
还有另外两种可能性 ， 一种比另一种更有希望 ， 这两种都涉及到额外维度 。
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图片来源: Flip Tanedo, via http://www.physics.uci.edu/~tanedo/docs.html.

3)扭曲的额外维度 。 这个理论由前面提到的Lisa Randall和Raman Sundrum提出 ， 认为重力和其他力一样强大 ， 但在我们的三维宇宙中不是这样 。 它生活在一个不同的三维宇宙中 ， 它与我们所在的第四维度宇宙之间的距离只有10^(- 31)米 。 (或者 ， 如上图所示 ， 在第五维度中 ， 包含了时间 。 )这很有趣 ， 因为它是稳定的 ， 而且它可以提供一个可能的解释关于为什么我们的宇宙一开始膨胀得如此之快(扭曲的时空可以做到这一点) ， 所以它有一些可信的好处 。
它还应该包括一组额外的粒子;不是超对称粒子 ， 而是卡鲁扎-克莱因粒子 ， 它是存在额外维度的直接结果 。 值得注意的是 ， 一项太空实验表明 ， 可能存在一个质量相当于希格斯介子5倍 ， 能量约为600 GeV的卡鲁扎-克莱因粒子 。 尽管我们目前的对撞机还无法探测到这些能量 ， 但新的大型强子对撞机应该能够制造出足够多的能量来探测它们——如果它们存在的话 。
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图片来源:J. Chang等人(2008) ， 《自然》 ， 来自高级薄电离量热计(ATIC) 。

然而 ， 这个新粒子的存在绝不是必然的 ， 因为这个信号只是在预期的背景下观察到的电子过剩 。 不过 ， 有一点值得牢记 ， 在大型强子对撞机最终达到满负荷运转时 ， 几乎任何质量低于1000gev的新粒子都应该在这台机器的范围内 。
并且最终......
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图片来源:Caroline Collard(2004) ， 摘自她在大学间高能研究所的一次演讲 。

4)大的额外维度 。 有别于被扭曲的 ， 额外的维度可以是“大的” ， 大只是相对于扭曲的维度大 ， 在尺度上是10^(-31)米 。 “大的”额外维度大约是毫米大小 ， 这意味着新的粒子将在LHC能够探测的范围内出现 ， 同样也会有新的卡鲁扎-克莱因粒子 ， 这可能是解决级列问题的一个办法 。

但是这个模型的一个额外结果是引力会在一毫米以下的距离从根本上偏离牛顿定律 ， 这是很难测试的 。 然而 ， 现代实验主义者已经能够应付这种挑战了 。


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