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
Что такое суперсимметрия?
Физики на протяжении всей истории пытаются объяснить то, как устроен мир. На данный момент построена теория описывающая все электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия. Это теория называется Стандартной моделью .
Используя горсть частиц вещества и несколько взаимодействий мы можем объяснить огромное множество явлений связанных с материей и энергией, пространством и временем. Но Стандартная модель не является теорией всего , потому что эта модель не дает ответы на все вопросы. Это позволяет ученым предпринимать попытки найти более подходящие теории, чтобы закрыть пробелы Стандартной модели. Одной из таких попыток и является суперсимметрия .
Суперсимметрия является не теорией, а принципом, который может быть применен в Стандартной модели. Главная идея суперсимметрии заключается в том, что между уравнениями для вещества и уравнениями для взаимодействий ставится знак равно. И если эта гипотеза окажется верна, то она ответит на огромное множество необъясненных ныне вопросов. Если же суперсимметрия Стандартной модели окажется неверной, то это будет означать что неверен лишь подход суперсимметрии, но не сама Стандартная модель.
Что такое симметрия в физике
Для начала нужно определиться с понятием симметрии в физике. Для этого рассмотрим сферу.
Сферу можно вращать и поворачивать сколько угодно. Не важно сколько раз и на какой угол мы повернем данную фигуру. В конечном итоге мы все равно получим сферу. Симметрия в этом случае значит то, что сколько бы мы не поворачивали сферу, мы всегда получим результат, который был в самом начале.
В физике когда мы говорим о симметрии, то рассуждаем в терминах математических уравнений. Например у нас имеется равенство 2+3=5 . Если мы поменяем слагаемые, то получим равенство 3+2=5 . Это означает, что сложение имеет симметрию относительно перестановки мест слагаемых. Суперсимметрия является всего лишь видом симметрии, которая математически связывает физические взаимодействия с частицами вещества.
Почему большинству физиков так нравится идея суперсимметрии?
Уравнения учитывающие суперсимметрию могут объяснить многие из современных загадок природы, например: почему гравитация намного слабее всех других взаимодействий, почему существует бозон Хиггса или из чего состоит темная материя.
Суперсимметрия Стандартной модели подразумевает, что у каждой известной частицы Стандартной модели имеется свой суперсимметричный партнер .
Источник
Суперсимметрия
Вначале сделаем маленькое предупреждение. Обилие слов с приставкой «супер-» на этой странице может показаться забавным, но это всё стандартные, устоявшиеся термины. Эта приставка не является эквивалентом чего-то этакого «сверхкрутого», а всего лишь указывает на то, что речь идет про теории, смешивающие бозоны и фермионы. В научной литературе за суперсимметрией закрепилось сокращение SUSY (читается «сьюзи»).
В Стандартной модели есть четкое противопоставление между частицами материи и частицами-переносчиками взаимодействий. Фундаментальные «кирпичики» материи — кварки и лептоны — являются фермионами, частицами со спином 1/2 (полуцелым спином), в то время как все частицы — переносчики сил (фотон, глюоны, W- и Z-частицы) являются бозонами, частицами со спином 1 (целым спином). Фермионы и бозоны ведут себя настолько по-разному, что, казалось бы, нет никакой возможности «поженить» их друг с другом.
Однако именно это удается сделать в рамках математических теорий, опирающихся на идею суперсимметрии — симметрии между фермионами и бозонами. Оказывается, и фермионы, и бозоны можно рассматривать как части некоторого единого семейства, называемого супермультиплетом частиц. Этот супермультиплет описывает частицы, которые двигаются в суперпространстве — расширении обычного четырехмерного пространства-времени, к которому добавляются совершенно необычные измерения с некоммутирующими координатами. Оказывается, если супермультиплет повернуть в этом суперпространстве, то бозоны могут превратиться в фермионы и наоборот. Иными словами, бозоны и фермионы — это лишь разные проекции на наш обычный мир единого объекта, живущего в суперпространстве.
Суперсимметрия может на первый взгляд показаться чрезвычайно искусственной конструкцией, попыткой «притянуть за уши» излишне сложную математику к описанию нашего мира. Однако когда дело доходит до построения конкретных теорий за пределами Стандартной модели, у суперсимметричных моделей обнаруживается редкая мощь, способность решать проблемы, которые трудно решить как-то иначе (приблизительно нулевая энергия вакуума, естественное возникновение хиггсовского механизма, устранение проблемы иерархии, более сильные свидетельства в пользу теории объединения взаимодействий и т. п.).
По этой причине суперсимметрия уже давно воспринимается не как экзотическая гипотеза, а как один из самых главных вариантов физики за пределами Стандартной модели. Полезно также напомнить, что теория неабелевых калибровочных взаимодействий, предложенная Янгом и Миллсом в 1954 году, тоже поначалу казалась чем-то совершенно абстрактным и не имеющим отношения к физической реальности. Тем не менее сейчас это ключевой элемент Стандартной модели.
Суперсимметрия в реальном мире
Идею суперсимметрии можно применить к реальному миру (см. рис. 1). Правда, в этом случае частица вещества (например, электрон) входит в один супермультиплет не с известными бозонами, а с некоторой новой частицей, которая называется «скалярный суперпартнер электрона», или, коротко, «сэлектрон». Аналогичный суперпартнер есть у каждого фермиона; называется он так же, как исходная частица, только с приставкой «с-» (смюон, скварк и т. д.), а обозначается той же буквой, только с тильдой. Все суперпартнеры фермионов — бозоны. Частицы-переносчики взаимодействий (а также хиггсовские бозоны) тоже входят в свои супермультиплеты, и их суперпартнеры являются фермионами. Название частиц получается в этом случае путем добавления суффикса «-ино»: фотино, хиггсино, глюино и т. д.
Если бы суперсимметрия строго выполнялась в нашем мире, массы частиц и их суперпартнеров были бы равны. Но среди экспериментально открытых элементарных частиц мы не видим ни одного примера такого суперпартнерства. Значит, суперсимметрия — если она вообще реализуется в нашем мире — должна быть нарушена. Наиболее привлекателен для теоретиков механизм спонтанного нарушения суперсимметрии: то есть теория формулируется симметрично, но решения, описывающие наш мир, симметрию теряют.
Как симметрии вообще могут спонтанно нарушаться, теоретики знают; спонтанное нарушение электрослабой симметрии — яркий тому пример. Нарушение суперсимметрии должно сделать суперчастицы массивными, с массами в районе сотен ГэВ или выше. К сожалению, нет четкого предсказания масштаба масс суперчастиц; их значения сильно зависят от устройства моделей. Тем не менее, если нам «повезет» и энергия Большого адронного коллайдера достигнет этого диапазона, в нём начнут в изобилии рождаться суперчастицы.
Варианты суперсимметричных теорий
Разработано много разновидностей суперсимметричных теорий, которые при низких энергиях похожи на Стандартную модель и не противоречат имеющимся сейчас экспериментальным данным. Поскольку суперсимметрия до сих пор не открыта экспериментально, теоретики при построении таких моделей руководствуются прежде всего математической самосогласованностью теории.
Один из главных параметров суперсимметричных моделей — это число N, которое показывает, сколько типов суперсимметрии заложено в теорию. Так называемая Минимальная суперсимметричная стандартная модель (MSSM) отвечает N = 1; а максимально суперсимметричная теория без гравитации, включающая калибровочные взаимодействия, имеет N = 4. К слову сказать, эта теория оказалась настолько замечательной, а развитые в ней методы решения оказались насколько мощными, что ее сейчас вовсю используют как «простую модель» теории сильных взаимодействий.
Разные виды суперсимметричных теорий могут сильно различаться своим спектром масс частиц, то есть тем, как именно массы разных суперсимметричных частиц располагаются друг относительно друга. На рис. 2 для примера показан массовый спектр одной конкретной разновидности MSSM с довольно легкими частицами.
Так же как электрослабую симметрию можно нарушить разными вариантами хиггсовского механизма, существуют и разные механизмы нарушения суперсимметрии. Опять же, в отсутствие прямых экспериментальных данных, теоретики конструируют и изучают, опираясь на самосогласованность и предсказательную силу возникающей теории. Среди прочих возможностей в нарушении суперсимметрии может принимать участие и гравитация.
Несмотря на разнообразие вариантов суперсимметричных моделей, у них есть общие характерные предсказания.
- Хиггсовский сектор должен быть устроен сложнее, чем в Стандартной модели. В минимальном варианте суперсимметричных теорий имеются два хиггсовских дублета, в более сложных вариантах появляются и дополнительные бозоны Хиггса.
- Во многих вариантах суперчастицы должны рождаться только парами и не могут распадаться только на обычные частицы. У них есть характеристика, этакая «суперность» (в научной терминологии, R-четность), которая сохраняется при реакциях и распадах. Поэтому судьба любой суперсимметричной частицы, родившейся на коллайдере, такова: она испытывает каскад распадов с излучением разных частиц Стандартной модели (кварков, лептонов и т. д.), и в конце концов превращается в легчайшую суперсимметричную частицу. Будучи стабильной, легчайшая суперсимметричная частица уже не распадается, а просто улетает прочь, незамеченная детектором. Такие легчайшие суперсимметричные частицы являются естественным кандидатом на роль темной материи: у них подходящие массы и «правильные» свойства.
К сожалению, заранее нельзя предсказать, при каких энергиях начнут рождаться суперчастицы. Не исключено, что, даже если суперсимметрия существует, этот порог находится при энергиях существенно выше 1 ТэВ. В таком случае прямое рождение суперчастиц будет невозможным ни на LHC, ни на коллайдерах следующего поколения.
Источник