探索" WIMP奇蹟"，以及為什麼沒有成功。
> 7 TeV proton-proton collision in the CMS detector of the Large Hadron Collider at CERN in Switzerland. Image by the CMS collaboration.
我以我最喜歡的費曼名言之一開始了這篇文章。 我之所以特別引用這句話，是因為它不僅囊括了物理學的硬道理，而且囊括了所有循證科學以及自然的冷漠以及她選擇如何向人類表達自己的堅硬真理。 如果數據表明您的模型或"猜測"之外的其他信息，那麼理智的科學家應該考慮採用其他理論來解釋觀察到的現象。 在演講中，費曼說出了這些著名的話，他接著解釋了他的意思：
"簡單的陳述是科學的關鍵"
這是科學進步的本質。 當代物理學正處在一個十字路口，地球上一些最聰明的人正在努力尋找能夠解釋物理學中一些真正引人注目的問題的方法。 當今物理學家的主要努力之一是完成粒子物理學的標準模型（SM），這是我們最好的理論框架，描述了我們能用光和電荷看到的一切，約佔宇宙質量能的5％。 其餘的95％由暗物質和暗能量組成，從而逃避了我們對物質，能量以及引力真正作用的理解。 這並不是說我們沒有試圖拼湊出一個連貫的自然理論。 離得很遠。
"理論多麼漂亮並不重要，你有多聰明也沒關係，如果不同意實驗，那就錯了。"-理查德·費曼（Richard Feynman）
超對稱
超對稱或SUSY是通過粒子物理標準模型（Standard Model of Particle Physics）對我們目前對物質和能量性質的理解的一種巧妙而便捷的擴展，它很好地解釋了我們可以檢測和觀察到的現象。 物理學家在命名方面真是令人敬畏。 SUSY合作伙伴的名稱包括希格諾斯，夸克，膠粘和中性（基本上是在普通名稱的末尾加一個" -ino"，或在其前加一個" s-"）。 SUSY對物理學家特別有吸引力，因為它似乎可以解釋一系列物理問題。 這些問題包括"暗物質"的性質，"層次結構問題"，"量規統一"以及物理學家流口水過的其他多汁主題。 這就是為什麼在物理領域如此追求SUSY的原因。
> The Atlas detector at CERN, the European Organization for Nuclear Research. The circular accelerator is the largest on the planet with a circumference of 26.7 km or about 17 miles, nestled underneath Geneva, Switzerland. Source: CERN
在深入探討為什麼SUSY可能不是正確的自然描述之前，我們必須重申費曼的觀點："如果它與實驗不一致，那就錯了"。 SUSY及其指向的後果，例如WIMP，在當代物理學中引起了激烈的爭論。 不能缺少針對它們的實驗證據，但是重要的是對所有可能性進行公正的評估，並解釋為什麼SUSY可以（或不能）有效地描述自然。
現在，讓我們說清楚，在這裡與我一起忍受。 超對稱性是一種時空對稱性，其中建議標準模型粒子的SUSY對應物的自旋為半整數。 這僅意味著每個SM費米子（半整數自旋）和每個SM玻色子（整數自旋）都有質量可能相差一個數量級的對應夥伴粒子。 現在，讓我們回顧一下為什麼物理學家首先受到SUSY如此誘惑的一些原因。
> Our familiar Standard Model friends admire their supposed Supersymmetric counterparts.
事實
好吧，讓我們澄清一些事情並且保持簡單。 到目前為止，在我們的對撞機或其他嘗試搜索WIMP的實驗中，尚無令人信服的SUSY證據，例如2016年在南達科他州桑福德地下研究設施（SURF）進行的LUX實驗或在Gran Sasso National進行的XENON實驗 意大利的實驗室。 對於全世界的WIMP獵人來說，這不是一個好消息。 但是，在物理學中，當我們看不到期望看到的東西時，我們會繼續尋找。 這就是科學之美。 尋找治療癌症，開發新疫苗或將火箭送入軌道的實驗沒有失敗。 只會獲得關於什麼是行不通的以及將來可以做得更好的知識：
> A graphic showing a possible extension to the Standard Model with the tildes representing each corresponding super-partner. Source: from the movie "Particle Fever" by Mark Levinson.
遊戲玩家
一切始於1966年左右，當時日本粒子物理學家宮澤弘成（Hironari Miyazawa）提出介子（一個夸克/反夸克對粒子）與重子（質子，中子等）之間的關係作為標準模型的擴展和嘗試移動 更接近於物理學家所說的"大統一理論"或" GUT"。
在70年代初期，諸如Bunji Sakita和Jean-Loup Gervais這樣的物理學家獨立地"重新發現"了宮澤的超對稱性猜想。 其他物理學家很快就開始研究非常成功的量子場論（QFT）框架，並偶然發現了通過標準模型的新擴展提出的更具革命性的時空對稱性。
最終在1974年，物理學家朱利葉斯·韋斯（Julius Wess）和布魯諾·祖米諾（Bruno Zumino）都去世了，他們確定了一種四維超對稱場論，可以與QFT的成功相提並論。 在這個新理論中，出現了驚人的後果，這些後果令人懷疑地太好了，以致無法實現，例如可能存在的暗物質候選物和量規統一。 如今，SUSY已簡化為一種受人尊敬的真實自然理論，該理論似乎可以解釋暗物質的起源以及一系列深遠的影響，最小的超對稱標準模型（MSSM）由Pierre Fayet於1977年最終確定。
從那以後，有許多出色的物理學家從事超對稱研究，除了標準模型和絃論之外，物理學的發展也取得了令人難以置信的新進展，例如UC Santa Cruz的Michael Dine教授，我最喜歡的教授之一，我很高興能夠 在我在那裡的時間裡瞭解和學習。 Dine與華盛頓大學的安·納爾遜（Ann Nelson）最近獲得了櫻井理論物理學獎，這是該領域最負盛名的獎項之一：
"對於超越粒子物理學標準模型的物理學的開創性探索，包括他們在動力學超對稱斷裂方面的開創性合作，以及他們對廣泛主題的創新貢獻，包括電弱對稱斷裂，重生和解決方案的新模型 強收費平價問題"。
令我沮喪的是，安·納爾遜（Ann Nelson）最近在2019年因《紐約時報》這篇文章嚴肅地概述的一次遠足事故去世了。 對於粒子物理學界來說，這是令人心碎的消息，我向她的家人和來自世界各地的同事們表示哀悼，他們讚賞她作為物理學家和人類的光輝和靈魂。
> Professor Michael Dine (left) and Dr. Ann Nelson (right). : Photos by: C. Lagattuta and the University of Washington, respectively.
這些物理學家提出的框架在理論上是合理，優美和開創性的，預言了一些不可思議的事情，如果是真的話。
..如果是真的。 這是討論的重點。 在過去的一個世紀中，物理學變得越來越複雜。 我們並沒有真正地鎖定天才來研究宇宙的秘密（也許在當前的COVID-19大流行期間更是如此）。 例如，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）在臭名昭著的鼠疫造成的1665年大瘟疫期間，以其臭名昭著的自然哲學原理數學獨立地發展了整個自然理論和萬有引力的第一瞥，在此過程中發明了微積分（您只是偶然地發明了微積分）。 ）。
廣義相對論，量子力學和量子電動力學理論（分別是愛因斯坦，玻爾，普朗克，狄拉克，費曼，託莫納加和施溫格）的理論尤其如此。
今天，我們有大量的物理學家和成千上萬的熱情人從事有時為科學和技術進步而進行的龐大實驗。
> The ATLAS collaboration, one of the main experiments at CERN with around 5000 members from nearly 180 institutions across the globe. Source: CERN
對於物理學來說，這是一個重要而激動人心的時刻。 考慮一下ATLAS，這是世界上最大的粒子物理學家科學合作組織。 沒有一個物理學家建造了大型強子對撞機，並在2012年發現了希格斯玻色子，卻是成千上萬的熱忱而好奇的人解開了自然界的秘密。 這是物理學的新紀元，智人盡其所能。 共同努力，組織和溝通，以實現單靠其他方式不可能做到的事情。 被人類的好奇心所灌輸是我們有意識經歷的天賦，但有時我們的社會天性往往會妨礙您……
辯論
有這樣的想法，僅僅因為我們還沒有看到WIMP或微粒暗物質而繼續搜索是沒有用的。 這是一個誤導的假設。 LUX-ZEPLIN和XENONnT合作開展的暗物質研究工作為暗物質的可能和不可能設定了重要的限制。 這是繼續搜索的價值，即使看起來所有希望都已消失。
失敗包含至關重要的信息，這些信息使我們可以排除對自然的"真實"描述不是。
SIMP進入競技場
因此，如果MACHO和WIMP可能不是正確的自然描述，那麼到底是什麼呢？
硬道理
您在這裡找不到硬道理（對不起！），因為我還沒有以物理系即將畢業的研究生的身份參加第一門量子場論課程。 這並不意味著我不能對可能解釋暗物質並可能潛伏在物理學家所謂的"隱藏領域"中的新粒子提供一個自以為是但又連貫的敘述。
現在，我馬上要說的是：巨大的緻密光暈物體，MACHO和弱相互作用的巨大粒子WIMP可能完全解釋了我們在暗能量和暗物質之間複雜的引力舞 宇宙。 這並不意味著我們應該停止研究它們。 實際上，我們需要物理學家研究大自然在告訴我們有關暗物質和暗能量的知識，以排除所有不是它們的東西。 這又是科學的美。
輸入SIMP或強相互作用的大質量粒子，這是UC Berkeley於2014年由日本理論物理學家村山瞳首次提出的。 這位著名教授認為，阿貝爾3827星系團的引力透鏡作用和銀河碰撞可能暗示著暗物質粒子之間以前未知的相互作用。 引用Murayama的說法，不包括MACHO：
"這項研究幾乎消除了MACHOs的可能性； 我會說它幾乎消失了"
WIMP可能也是一樣。
Murayama從理論上講，SIMP可能通過重力而與自身發生強烈相互作用，而與重子物質（質子，中子等）和其他標準模型粒子之間的相互作用非常弱。 這些SIMP將表現為由夸克/反夸克對組成的複合粒子，並由理論上尚未發現的新型膠子束縛。 村山推測，SIMP可能是我們正在尋找的暗物質，它們通過具有可能可檢測特徵的星系碰撞而自我相互作用。
> Murayama suggests dark matter SIMPs strongly self-interact and collide through yet to be discovered interactions. Source: Robert Sanders, UC Berkeley, Kavli IMPU graphic.
坦率地說，這是一個頗有爭議的提議，正在地下物理學界引起轟動，它與主流物理學有些不同，並且超出了我自己的薪水等級，無法完全解釋。
在本文的結尾，我將引用村山（Murayama）的話，讓他用他具有開創性的SIMP理論及其與暗物質，暗能量和現實的本質的關係說話。
> Graphic showing a pion composed of an up quark bound to a down anti-quark via a gluon (left) and the theoretical SIMP composed of a quark and an anti-quark bound together by an unknown type of gluon. Source: Robert Sanders, UC Berkeley
首先，SUSY粒子在很大程度上抵消了重標準模型粒子（如頂夸克和W / Z玻色子）的貢獻，這表明希格斯物質的發散直至10ck GeV的普朗克尺度。 用英語來說，這意味著頂夸克的質量是如此強大，以至於它與希格斯場發生了強烈的相互作用，當您嘗試計算希格斯質量平方參數時，貢獻了二次發散質量項，本質上是場的量化激發 希格斯玻色子。
> A Higgs particle feels the heat of naturalness. Source: Quantum Diaries
真是可惡 現在，我們對物理的當前理解是通過標準模型進行的，它可以預測希格斯質量比125 GeV的觀測值大得多。
物理學中有一種叫做"自然"的東西，我花了三年的時間才理解它，但是從本質上講，當新的粒子質量大致處於我們已經知道的粒子範圍內時，物理學家真的很喜歡它。 這是"自然的"，即自然應該是一致的，並且不希望存在質量有時大不相同的怪異的大塊粒子。 對物理學家來說，這更是一種美學和哲學上的東西，而不是有形的和數學的東西。
其次，SUSY噴出了一個不錯的暗物質候選粒子。 這個粒子必須與我們認為的暗物質相一致，暗物質是一種看起來微弱相互作用的非發光物質，某種程度上佔了宇宙質量的85％。 SUSY，特別是最小超對稱標準模型，預測了這種粒子的存在，即弱相互作用的大質量粒子或簡稱WIMP。 該粒子通過所謂的" R奇偶校驗"存在。 我尚未進行必要的培訓來全面解釋R奇偶性，但是我知道這是SM粒子的守恆數量，SM粒子的值為P = + 1，SUSY的值為P = -1。 這種對稱性預示著存在一箇中性，相互作用弱的塊狀粒子，該粒子無法進一步衰減成其他任何東西，因此是穩定的。 對於尋找暗物質的物理學家來說，這是非常好的選擇。
> Graphic showing Standard Model inverse coupling strengths for three of the fundamental forces as a function of interaction energy (excluding gravity..) diverging (left) and SUSY couplings (right) converging at around 10^16 GeV.
第三是大統一。 基本上，所有基本力耦合（相互作用的相對強度）隨著您獲得越來越高的相互作用能而改變。 目前，SM耦合無法像我們在GUT中看到的那樣收斂。 但是，當物理學家將SUSY引入混合物中時，他們"神奇地"收斂到物質和能量的描述，能量約為10 1 GeV（這對於粒子物理學來說是非常高的能量，大約為200萬焦耳，大約是汽車以 約100英里/小時）。 對於有興趣將基本力統一為自然的單一描述，定義瞭解宇宙起源的新時代的物理學家來說，這也是一個很好的選擇。
"社區的共識是某種程度，我們不知道我們需要走多遠，但至少我們需要降至這個水平……但是由於絕對沒有出現WIMP的跡象，人們開始更廣泛地思考 這些日子。 讓我們停下來再考慮一下。" —村山仁
(本文翻譯自Matthew Forman的文章《Supersymmetry: A Love Story》，參考：https://medium.com/@matthewforman/supersymmetry-a-love-story-6cb5e751fb9b)
