Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной
Большой адронный коллайдер очень скоро снова заработает с удвоенной скоростью. Физики полагают, что столкновения частиц на околосветовых скоростях помогут раскрыть целый набор новых частиц, открывающих изнанку физики: суперсимметрию. В прошлый раз мы немного затронули эту тему, пришло время обсудить, что это за суперсимметрия и зачем она нам.
На данный момент главенствующей теорией физики элементарных частиц является Стандартная модель. Она отлично объясняет, как взаимодействуют основные строительные блоки материи, создавая Вселенную, которую мы видим вокруг.
Стандартная модель — лучшее описание, которое у нас есть, но оно далеко от совершенства.
Неполная теория
Стандартная модель образовалась в 1970-х годах. Это набор уравнений, который описывает, как все известные элементарные частицы взаимодействуют с четырьмя фундаментальными силами: сильным и слабым взаимодействием, электромагнетизмом и гравитацией.
«Есть некоторые вещи, которых Стандартная модель не может объяснить, — говорит физик Джордж Редлинджер из Брукхейвенской лаборатории, которая работает над экспериментом ATLAS на БАК. — Потому мы знаем, что это неполная теория».
Стандартная модель отлично связывает первые три из этих четырех фундаментальных сил, но не касается гравитации. Гравитация настолько слабая сила, что даже игрушечный магнит может ее побороть. Остальные три силы намного сильнее. Гравитация имеет крайне важное значение для физики, и ее поведение описывает общая теория относительности Эйнштейна.
Стандартная модель также не может объяснить присутствие таинственного вещества под названием темная материя, которое удерживает галактики вместе. И не может объяснить, почему во Вселенной намного больше материи, чем антиматерии, хотя должно быть равное количество.
Суперсимметрия — это расширение Стандартной модели, которое могло бы помочь заполнить некоторые из этих недостатков. Она прогнозирует, что каждая частица в Стандартной модели может обладать пока не обнаруженным партнером. Это касается даже знакомых нам частиц вроде электронов. Суперсимметрия предсказывает, что у электронов есть партнеры «селектроны», у фотонов — «фотино» и так далее.
Вот все пробелы в физике, которые может исправить суперсимметрия.
Суперсимметрия может объяснить, почему бозон Хиггса такой легкий
Несмотря на то, что Стандартная модель предсказала существование бозона Хиггса, его обнаружение проделало еще одну трещину в теории. Хиггс, который физики наблюдали на БАК в 2012 году, намного легче, чем ожидалось. Стандартная модель предсказывает, что бозон Хиггса в триллионы раз тяжелее, чем тот, что наблюдали физики во время первого запуска БАК, как говорит Дон Линкольн, физик из Лаборатории Ферми.
Будучи частицей, которая дает массу другим частицам, Хиггс должен быть очень тяжелым, поскольку взаимодействует с огромным числом частиц. Частицы-партнеры, предсказываемые суперсимметрией, могли бы поправить это. Если они существуют, эти дополнительные частицы отменяли бы вклад партнеров в массу Хиггса. Потому бозон Хиггса был бы легким, как мы его и наблюдали.
Это естественное объяснение куда более желательно, чем внесение корректировок в существующую Стандартную модель. Когда вы вынуждены править теории, объясняющие то, что вы в действительности наблюдаете, это знак того, что «вы на самом деле не знаете, что делаете», говорит Линкольн, а эта теория, по всей видимости, неправильная или неполная.
Частицы Стандартной модели во внутреннем круге; суперсимметричные партнеры — во внешнем
Суперсимметрия может объяснить темную материю
Темная материя невидима и до сих пор не обнаружена, но тем не менее на нее приходится до 27% всей материи во вселенной.
Самые легкие суперсимметричные частицы, предсказываемые в рамках теории, могут быть неуловимыми частицами темной материи, на которые охотятся физики десятилетиями. Суперсимметрия предсказывает, что у этой частицы будет нейтральный заряд и она едва ли будет взаимодействовать с любой другой частицей. Примерно такое описание физики ждут от частиц темной материи.
Темная материя невидима, поэтому частицы, из которых она состоит, должны быть нейтральными, иначе будут рассеивать свет и станут видимыми. Эти частицы также ни с чем не взаимодействуют, иначе мы бы их уже обнаружили.
Суперсимметрия указала бы в направлении универсальной теории в физике
Главная цель физики — постоянно конденсировать наше понимание вселенной все более простыми терминами.
К примеру, теперь мы понимаем, что гравитация, которая привела к падению яблока на голову Ньютона, — это та же гравитация, которая управляет планетами и звездами. И теперь мы знаем, что законы электричества и законы магнетизма — просто два закона, которые определяют единую фундаментальную силу электромагнетизма.
Если суперсимметричные частицы включены в Стандартную модель, они бы тесно связали три из четырех фундаментальных сил, которые описываются Стандартной моделью: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие. Суперсимметрия будет означать, что все эти три силы будут обладать одной и той же силой на очень высоких энергетических уровнях.
Многомерное пространство Калаби-Яу
В частности, суперсимметрия может укрепить теорию струн. Суперсимметрия часто описывается как трамплин для теории струн — чтобы она стала возможной, необходима некоторая версия суперсимметрии.
Теория струн остается одним из ведущих кандидатов на «теорию всего», которая объединит всю физику. Тем не менее проверить ее экспериментально чрезвычайно трудно.
«Энергия структур, с которыми имеет дело теория струн, настолько высока, что мы, вероятно, никогда не воспроизведем ее в лаборатории», — говорит Стивен Вайнберг.
Тем не менее открытие суперсимметрии по крайней мере даст апологетам теории струн знать, что они идут в правильном направлении.
Как разлетаются бозоны
Физики думают, что мы найдем доказательства суперсимметрии?
Несмотря на десятилетия поисков, никто не нашел никаких доказательств суперсимметрии. Впрочем, великие теории открывались не за два-три года. К примеру, почти полвека понадобилось на то, чтобы открыть бозон Хиггса с момента теоретического предположения его существования. Потому, хотя мы и не видим доказательств суперсимметрии, эта теория остается очень мощной.
«Это настолько прекрасная идея, что она обязана быть правильной», — говорит Редлинджер.
Тем не менее Вселенной абсолютно все равно, насколько идеальными наши теории ни казались бы, говорит Линкольн. Многие физики говорят, что мы должны были найти доказательства суперсимметричных частиц уже в первый запуск БАК, поэтому теория вполне может быть не ахти.
Но только потому, что мы не видели каких-либо суперсимметричных частиц, еще не означает, что их нет. Может быть, есть что-то в том, как суперсимметрия проявляется, чего мы пока не понимаем. Может, нужен более мощный коллайдер, чтобы частицы-суперпартнеры проявили себя.
Мы не узнаем этого, пока БАК не заработает. Обновленный ускоритель частиц будет работать на 60% сильнее, чем раньше, перейдет от 360 миллионов столкновений в секунду до 700 миллионов столкновений в секунду. Если суперсимметрия была вне досягаемости по уровню энергии во время последнего запуска, данные этого года могут быть совершенно неописуемыми.
Конечно, мы можем ничего и не найти. Но это тоже пойдет нам на пользу.
Если суперсимметрия ошибочна, это откроет дверь к новому набору теорий. Также появится больше доверия к другим теориям, вроде идеи о мультивселенной, к которой никогда не было особого доверия. Ждем запуска.
Источник
Гляжусь, как в зеркало: есть ли шансы у суперсимметрии?
Немногим более сорока лет назад появилась суперсимметрия – теория, в которой каждому существующему фермиону в пару полагается бозон, и наоборот. Она не оправдала больших надежд, но многие физики по-прежнему бьются в поисках суперсимметричных партнеров. «Яблоко от вишенки» — основной принцип суперсимметрии, которая предполагает превращения между типами частиц, совершенно невозможные в Стандартной модели. Какие проблемы таким образом решаются и почему суперсимметрия не смогла завоевать мир – в нашем суперматериале.
Котлеты и мухи
В материале о Стандартной модели мы уже рассказали об основных принципах современной теоретической физики: все вещество в нашем мире состоит из элементарных частиц, лептонов и кварков, а также частиц-переносчиков, за счет которых происходит взаимодействие.
По другой логике, все частицы делятся всего лишь на два типа: фермионы и бозоны. Лептоны и кварки относятся к первому типу частиц, а переносчики взаимодействий – ко второму. В физике они так и называются – калибровочными бозонами.
Оля и Яло
Чтобы разобраться в отличиях фермионов и бозонов, необходимо ввести понятие спина.
Если тело вращается, «количество» этого движения можно охарактеризовать: сколько массы обращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью оно происходит. В физике такая величина называется моментом импульса. Классический пример: сядьте на крутящееся офисное кресло и возьмите в руки две гантели или книжки потяжелее. Раскрутитесь, вытяните руки в стороны, а затем, наоборот, согните их. Заметили разницу? Скорость вашего движения изменится – это происходит именно потому, что вы изменяете собственный момент импульса, распределяя массу по-другому.
Когда речь идет об элементарных частицах, появляется величина, формально схожая с моментом импульса. Она называется спином, и характеризует некоторый внутренний, присущий каждой частице момент импульса. Но эта величина, в отличие от стандартного определения, не связана с распределением масс или скоростью вращения, а является чисто квантовым эффектом.
Спин может принимать любые положительные значения с шагом 0.5: 0, 0.5, 1, 1.5 и так далее. Итак, мы приходим к главному различию между фермионами и бозонами: первые обладают полуцелым спином (0.5, 1.5, …), а вторые — целым (0, 1, . ).
Не садись со мной
Самое важное отличие квантовой механики от классической состоит в том, что все величины в квантовой механике могут изменяться только скачкообразно, на очень маленькую величину. Физики говорят, что они «квантуются», подразумевая под «квантом» какое-то конкретное число. Величина этого «скачка» очень мала, и определяется так называемой постоянной Планка, примерно равной 10 -34 . В нашем обычном мире мы просто не замечаем столь малого изменения, например, температуры. Но в микроскопическом мире это становится принципиально важно.
Все характеристики частиц в квантовой механике измеряются в количестве постоянных Планка, и для простоты обозначаются числом. Например, спин 1 означает «одна постоянная Планка». Договорившись, в каком порядке обозначать физические величины, состояние любой частицы можно описать набором квантовых чисел – это будет ее квантовое состояние.
Именно в значении спина скрыта фундаментальная разница между фермионами и бозонами. Оказывается, что два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии, то есть обладать одинаковым набором квантовых чисел. А у бозонов подобных предрассудков нет. И, согласно современным понятиям, из-за столь принципиальных отличий фермионы не могут превращаться в бозоны или обратно.
Ты просто «супер»
К началу семидесятых годов физикам уже было известно практически все о симметрии в законах физики. Оказалось, что каждое из взаимодействий – электромагнитное, слабое, сильное – обладает своей особой симметрией. Помимо этого, все известные нам теории в целом также симметричны: происходящие явления не зависят, например, от ориентации в пространстве и от направления течения времени. Наличие симметрий приводит к законам сохранения – энергии, электрического заряда и других.
Но в 1973 году физики Юлиус Весс и Бруно Зумино предложили принципиально новый тип симметрии – между фермионами и фотонами, что частицы одного вида могут превращаться в частицы другого. Это симметрия несколько другого уровня, которая по сути, позволяет излучению превращаться в вещество, и наоборот.
Поскольку эту идею нельзя было приписать к стандартным понятиям симметрии, она получила претенциозное название «суперсимметрия».
Рука об руку
Суперсимметрия постулирует, что каждой частице Стандартной модели соответствует ее «суперпартнер» — фермион, соответствующий бозону, или наоборот. Партнеры фермионов – сфермионы: скварк для кварка, сэлектрон для электрона и так далее.
Партнер фотона был назван фотино, глюона – глюино, а для бозона Хиггса – хиггсино. Кроме спина, суперпартнеры обладают абсолютно одинаковыми свойствами – массой, зарядом и другими.
Достижения суперсимметрии
Суперсимметрия объясняет некоторые важные проблемы Стандартной модели. Мы знаем, что взаимодействия между частицами имеют разную интенсивность. Самым «сильным» действительно является сильное взаимодействие, затем идут электромагнитное и слабое. «Отмотав» назад время до Большого Взрыва физики пришли к выводу, что при больших энергиях и температурах в начале жизни Вселенной все взаимодействия были примерно одной интенсивности. Это был момент «великого объединения». Стандартная модель такого поведения не предсказывает, а вот суперсимметрия в силах изменить эволюцию интенсивности взаимодействий.
Статья по теме
Другое сообщество ученых бьется над так называемой проблемой иерархии: массы переносчиков слабого взаимодействия, W и Z-бозонов, в 10,000,000,000,000,000 массы Планка – масштаба энергий, на котором гравитационное взаимодействие становится интенсивным. Откуда берется такая разница, неизвестно. И на самом деле, без «тонкой подстройки» параметров Стандартной модели мы должны наблюдать массы W и Z-бозонов гораздо больше, чем показывают эксперименты. В суперсимметрии, однако, естественным образом переносчики слабого взаимодействия оказываются именно тех масс, которые измеряются.
Также среди суперпартнеров физикам очень нравится искать кандидатов на роль частиц темной материи. Претенденты – гипотетическая нейтральная частица нейтралино, предсказываемая суперсимметричными теориями, снейтрино, двойник нейтрино или гравитино, партнер гравитона.
Ложка дегтя
Проблем с физической точки зрения у суперсимметрии тоже хватает. Самая главная – огромное число свободных параметров, то есть значений различных констант, которые необходимо вводить искусственно, экспериментально они не измеряются. У суперсимметрии их порядка ста, и возникает ощущение, что правильно их «подкрутив» можно объяснить абсолютно любое явление.
Масса партнера бозона Хиггса, хиггсино, согласно суперсимметрии может быть либо равной нулю, либо порядка массы Планка – и это очень странно, ведь из общих принципов мы ожидаем, что они будут равными.
Успех или полный провал?
Появившись более сорока лет назад, элегантная, разумная и действенная, суперсимметрия воистину взбудоражила умы многих физиков. Однако, за это время найти хотя бы одного суперсимметричного партнера так и не удалось. Это говорит о том, что все-таки суперсимметрия не является окончательной моделью в физике, а снова «промежуточной». Массы суперпартнеров не совпадают, иначе мы бы уже давно обнаружили фотино и скварки: значит, во Вселенной существует еще более «супер» суперсимметрия.
Статья по теме
Но было бы неверно сказать, что научный мир окончательно отказался от данной идеи: многие существующие эксперименты по-прежнему ищут «частицы с приставкой «с». На основе суперсимметрии была разработана и супергравитация – теория квантовой гравитации, надежда на включение в Стандартную модель четвертого типа взаимодействий.
Помимо этого, для создании различных вариантов суперсимметрии был развит внушительный математический аппарат. Полученные навыки физики смогли применить в других областях, значительно расширив свой запас «инструментов» для расчетов.
И кто знает, может через десятки лет суперсимметрия все же поможет прийти к Теории Всего?
Источник