Физики со всего мира на встрече в Копенгагене подвели итоги пари, касающегося теории суперсимметрии, пишет научно-популярное издание Quanta. Напр., в теории С. происходит сокращение бесконечностей, которые присущи всем релятивистским теориям и представляют проблему, особенно в квантовой гравитации.
Крах теории суперсимметрии: большой адронный коллайдер ничего не нашел
В настоящее время нам известно лишь четыре: глубина, высота, ширина и время. Хотя это похоже на серьезное препятствие, предлагалось уже несколько решений, и в настоящее время это все видится скорее необычной особенностью, нежели проблемой. Например, мы могли бы существовать в четырехмерном мире без какого-либо доступа к дополнительным измерениям. Однако различные компактификации привели бы к иным значениям физических констант и иным законам физики. М-теория Оставалась еще одна проблема, которая не давала покоя теоретикам струн того времени. Тщательная классификация показала существование пяти различных последовательных теорий струн, и было непонятно, почему природа должна выбирать одну из пяти. И здесь в игру вступает М-теория.
Во время второй революции струн в 1995 году физики предположили, что пять последовательных теорий струн на деле являются разными лицами уникальной теории, которая существует в одиннадцати пространственно-временных измерениях и называется М-теорией. Она включает каждую струнную теорию различных физических контекстов, при этом оставаясь рабочей для всех. Эта невероятно увлекательная картина привела большинство теоретических физиков к идее, что М-теория станет теорией всего — и она также математически более последовательна, чем все остальные предлагаемые теории. Как бы то ни было, пока что М-теория не смогла произвести прогнозы, которые могут быть проверены экспериментально. Суперсимметрия в настоящее время тестируется на Большом адронном коллайдере.
Рольф Хойер, генеральный директор ЦЕРН, регулярно включает его в качестве одной из целей «новой физики» для ускорителя. Но в некоторых прогнозах, перед тем, как гигантская машина начала свою работу в марте 2010 предполагалось, что сигналы SUSY окажутся быстрее. Существует много споров об этой теории, но суперсимметрия является одним из наиболее привлекательно возможных расширений Стандартной модели и ведущим претендентом в новых принципах природы, которые можно открыть только при большой энергии коллайдеров. Поэтому суперсимметричные частицы скорее всего можно будет заметить в начале 2015 года, когда мощность коллайдера, а следовательно столкновение частиц будет в два раза сильнее.
Кроме этого откровенно фантастического сценария, новая теория включает в себя две новые частицы, которые идут в дополнение к известным частицам, определенным Стандартной Моделью. Существование этих двух частиц позволяет объяснить озадачивающие ученых свойства симметрии сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки в протоны и нейтроны, а протоны и нейтроны — в ядра атомов. Современная теория сильных взаимодействий, известная как квантовая хромодинамика, допускает наличие некоторых разногласий в симметрии фундаментальных сильных взаимодействий, так называемой CP-симметрии, хотя эти разногласия пока еще не наблюдались экспериментальным путем.
Существование одной из частиц новой теории позволяет решить проблему CP-симметрии, убирая разногласия и делая сильные взаимодействия полностью симметричными. Более того, эта же дополнительная частица может являться частицей темной материи, загадочной субстанции, на долю которой приходится подавляющая часть материи нашей Вселенной. Естественно, сейчас еще нет и не может существовать единого мнения насчет того, какая именно из теорий, объясняющих малую массу бозона Хиггса или проблему CP-симметрии сильных взаимодействий, является истинной, а какие теории не имеют шанса на существование.
Теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, тоже основана на уравнениях Янга — Миллса. Квантовая хромодинамика говорит, что многие элементарные частицы — мезоны и барионы например, протон — состоят из кварков. Однако изолированные кварки никогда не наблюдались это явление называется конфайнментом. Из-за сложности уравнений квантовой хромодинамики конфайнмент до сих пор не выведен из них напрямую. Кстати, решение уравнений Янга — Миллса и объяснение конфайнмента является одной из семи проблем тысячелетия, за которые институт Клэя назначил приз в миллион долларов. Квантовая хромодинамика также находит подтверждение в ускорительных экспериментах. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий включает в себя модель электрослабых взаимодействий и квантовую хромодинамику. Стандартная модель оказалась в состоянии объяснить практически все экспериментальные данные, полученные к настоящему времени в физике элементарных частиц. Суперсимметрия Идея суперсимметрии Перед тем, как перейти к обсуждению суперсимметрии, рассмотрим понятие спина.
Спин — это собственный момент импульса, присущий каждой частице. Он измеряется в единицах постоянной Планка и бывает целым или полуцелым. Спин является исключительно квантовомеханическим свойством, его нельзя представить с классической точки зрения. Наивная попытка трактовать элементарные частицы как маленькие «шарики», а спин — как их вращение, противоречит специальной теории относительности, так как точки на поверхности шариков должны в таком случае двигаться быстрее света. Суперсимметрия — это симметрия между частицами с целым и полуцелым спином. Идея суперсимметрии была предложена в теоретических работах Гольфанда и Лихтмана, Волкова и Акулова, а также Весса и Зумино около 40 лет назад. Вкратце она заключается в построении теорий, уравнения которых не изменялись бы при преобразовании полей с целым спином в поля с полуцелым спином и наоборот. С тех пор были написаны тысячи статей, суперсимметризации были подвергнуты все модели квантовой теории поля, был разработан новый математический аппарат, позволяющий строить суперсимметричные теории. Стандартную модель фундаментальных взаимодействий, рассмотренную ранее, тоже можно сделать суперсимметричной.
При этом решается ряд ее проблем. Рассмотрим некоторые из них. Мотивировка суперсимметрии Несмотря на огромные успехи Стандартной модели в объяснении экспериментальных данных, она обладает рядом теоретических трудностей, которые не позволяют Стандартной модели быть окончательной теорией, описывающей наш мир. Оказывается, часть этих трудностей может быть преодолена при суперсимметричном расширении Стандартной модели. Объединение констант связи Гипотеза великого объединения, которой придерживаются многие физики, говорит, что различные фундаментальные взаимодействия есть проявления одного, более общего, взаимодействия. Это взаимодействие должно проявляться при огромных энергиях по различным оценкам, энергия великого объединения в 1013 или даже в 1016 раз превосходит энергию, доступную современным ускорителям элементарных частиц. При понижении энергии от объединенного взаимодействия «отщепляется» сначала гравитационное взаимодействие, потом сильное, а в завершение электрослабое взаимодействие распадается на слабое и электромагнитное. В Стандартной модели, однако, электрослабое и сильное взаимодействия объединены лишь формально. Они могут оказаться разными проявлениями общего взаимодействия, а могут и не оказаться.
Тем не менее, анализ экспериментальных результатов дает некоторые подсказки к вопросу о существовании великого объединения. У каждого из фундаментальных взаимодействий есть величина, которая характеризует его интенсивность. Эта величина называется константой взаимодействия. Константа электромагнитных взаимдействий просто равна заряду электрона. В случае сильных и слабых взаимодействий ситуация несколько сложнее. Одно из интересных свойств квантовой теории поля состоит в том, что константа взаимодействия на самом деле не константа — она меняется при изменении характерных энергий процессов с участием элементарных частиц, причем теория может предсказать характер этой зависимости. В частности, это означает, что при приближении к электрону на расстояния, гораздо меньшие размеров атома, начинает меняться его заряд! Причем такое изменение, обусловленное квантовыми эффектами, подтверждено экспериментальными данными, например, небольшим изменением уровней энергии электронов в атоме водорода лэмбовский сдвиг. Константы электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий измерены с достаточной точностью для того, чтобы можно было вычислить их изменение с ростом энергии.
Результаты изображены на рисунке. В Стандартной модели графики слева нет таких энергий, где произошло бы объединение констант взаимодействий. А в минимальном суперсимметричном расширении Стандартной модели графики справа такая точка имеется. Это значит, что суперсимметрия в физике элементарных частиц обладает приятным свойством — в ее рамках возможно великое объединение! Объединение с гравитацией Стандартная модель не включает гравитационное взаимодействие. Оно совершенно незаметно в ускорительных экспериментах из-за малых масс элементарных частиц. Однако при больших энергиях гравитация может стать существенной. Современная теория гравитационных взаимодействий — общая теория относительности — является классической теорией. Квантовое обобщение этой теории, без сомнения, стало бы самой общей физической теорией, если бы было построено.
Помимо отсутствия каких бы то ни было экспериментальных данных, имеются серьезные теоретические препятствия в построении теории квантовой гравитации. В объединении гравитации с остальными взаимодействиями также есть трудности. Переносчик гравитационного взаимодействия, гравитон, должен иметь спин 2, в то время как спин переносчиков остальных взаимодействий фотон, W- и Z-бозоны, глюоны равен 1. Чтобы «перемешать» эти поля, нужно преобразование, меняющее спин. А преобразование суперсимметрии как раз и есть такое преобразование. Таким образом, объединение с гравитацией в рамках суперсимметрии вполне естественно. Природа темной материи Вселенной Суперсимметрия может объяснить некоторые результаты исследований в космологии. Один из таких результатов заключается в том, что видимая светящаяся материя составляет не всю материю во Вселенной. Значительное количество энергии приходится на так называемую темную материю и темную энергию.
Прямым указанием на существование темной материи являются зависимости скоростей звезд в спиральных галактиках от их расстояния до центра. Эту зависимость легко вычислить. Оказывается, экспериментальные данные существенно расходятся с предсказаниями теории. Расхождение объясняют тем, что галактики находятся в «облаках» темной материи.
Адронный коллайдер подтвердил теорию суперсимметрии
суперсимметрия. На днях теория суперсимметрии получила еще один удар от Большого адронного коллайдера (БАК). Если рассмотреть квантовую электродинамику, то это теория с не очень большим, по сравнению с суперсимметрией, количеством симметрий. Суперсимметрия предполагает удвоение (как минимум) числа известных элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров. Теории, включающие суперсимметрию, дают возможность решить несколько проблем, присущих Стандартной модели.
Суперсимметрия в свете данных LHC: что делать дальше?
Теории, включающие суперсимметрию, дают возможность решить несколько проблем, присущих Стандартной модели. Для завершения обоснования суперсимметрии природы инфраструктурной динамикой -позитрония в «условиях резонанса» остаётся напомнить о возможности представления. Одна из задач, которую ученые пытаются решить с помощью БАК, – это получение экспериментального подтверждения теории Суперсимметрии. На днях теория суперсимметрии получила еще один удар от Большого адронного коллайдера (БАК). На днях теория суперсимметрии получила еще один удар от Большого адронного коллайдера (БАК).
Большой адронный коллайдер подорвал позиции теории суперсимметрии
Их можно проводить на LHC его параметры позволяют это сделать , можно создавать новые установки на гораздо меньших энергиях. Главное, проводить прецизионные измерения, которые позволяют увидеть отклонения от предсказаний Стандартной модели. По величине этих отклонений можно судить, где находится «новая физика». Если по косвенным измерениям окажется, что для наблюдения следующих событий нужны колоссально высокие энергии, недостижимые для современной науки, то строить что-то с энергией больше LHC необходимости нет. Если же будет видно, что такая энергия нам доступна, тогда человечество будет создавать установку следующего уровня. Я думаю, что сейчас лучше вкладываться в точные эксперименты на относительно низкой энергии. Это только мое мнение, его далеко не все разделяют. В нем с очень высокой точностью измеряется аномальный магнитный момент мюона. Это важно, так как сейчас мы наблюдаем расхождение между теорией и экспериментом.
Замечу, что в теоретические предсказания аномального момента входит и вклад от сильного взаимодействия, который в настоящее время невозможно вычислить, основываясь на «чистой» теории. Обойти эти сложности можно, используя результаты других экспериментов. ВЭПП-2000 — коллайдер Института ядерной физики СО РАН в Новосибирске — предоставил необходимую информацию об адронных взаимодействиях, которая используется в вычислениях аномального магнитного момента мюона. Другой эксперимент — Mu2e — нацелен на поиск безнейтринного распада мюона. Он использует то же самое накопительное кольцо, что и g-2, и начнется сразу после окончания g-2, примерно через два года. Согласно Стандартной модели, мюон распадается на два нейтрино и электрон или позитрон в случае положительно заряженного мюона. Когда я учился в университете, все было просто. Есть электрон, к нему привязано электронное нейтрино.
Если у вас образовалось электронное нейтрино, вместе с ним должен образоваться электрон или позитрон в случае антинейтрино , но не может — мюон. А сейчас мы точно знаем, что принцип сохранения лептонного заряда нарушается в секторе нейтрино, а значит, и безнейтронный распад мюона, который запрещен законом сохранения лептонного заряда, возможен, хотя и с очень маленькой вероятностью. Мы ожидаем, что эксперимент достигнет чувствительности порядка 10-16, то есть мы сможем зарегистрировать один безнейтронный распад мюона на 1016 распадов мюона. Такой чувствительности невозможно достигнуть в коллайдерных экспериментах. Но динамичнее всего развивается астрофизика. Если раньше все эксперименты в астрономии проводились при помощи телескопов и фотоаппаратов, то сейчас — при помощи компьютеров и цифровых изображений, и это стало стимулом колоссального прогресса. Теория от безысходности — По какому пути будет развиваться физика высоких энергий? Поэтому основные усилия будут направлены на прецизионные измерения, и LHC — один из самых главных участников.
Один из важнейших вопросов к физике высоких энергий — существует ли темная материя. Мы «видим» ее в астрономических наблюдениях, но пока никто не увидел ее в прямых измерениях. Само по себе утверждение, что темная материя и энергия существуют, не является безальтернативным. В настоящее время мы не можем описать Вселенную в том виде, в котором мы ее наблюдаем, используя общую теорию относительности ОТО. Есть два пути. Первый — предположить, что уравнения ОТО здесь не работают. Но это не так просто, если вы хотите удовлетворить «эстетические» требования к теории. Это одно из направлений исследований.
Второй путь — внести в существующее описание Вселенной темную материю и темную энергию. Для многих это выглядит более привлекательно, и поэтому большая часть ученых поддерживает второй выбор. Вопрос, кто прав, должен быть разрешен экспериментом. Физика — наука экспериментальная, поэтому, если темная материя существует, значит, мы должны ее найти.
В суперсимметричной модели Хиггс будет легким или вообще безмассовым даже с учетом виртуальных квантово—механических «добавок». В настоящей суперсимметричной теории вклады от обоих типов частиц полностью компенсируются рис. Квантовая механика делит вещество на две очень разные категории — бозоны и фермионы. Фермионы — это частицы, обладающие массой. Возможно, это заявление кажется фантастическим, но в действительности компенсация добавок массы гарантируется, потому что суперсимметрия представляет собой совершенно особый вид симметрии. Это симметрия пространства и времени — она напоминает знакомые виды симметрии, такие как симметрия вращения и параллельного переноса, но расширяет их в квантово—механическую область. В суперсимметричной модели вклад в массу бозона Хиггса от суперсимметричных частиц в точности компенсирует вклад от частиц Стандартной модели. К примеру, на двух приведенных здесь диаграммах сумма виртуальных вкладов равняется нулю ющие полуцелым собственным моментом импульса, где момент импульса — это квантовое число, которое описывает поведение частицы, которое в определенном смысле можно уподобить ее вращению. Бозоны — это частицы, которые, подобно переносящим взаимодействие калибровочным бозонам или ожидающему своего открытия бозону Хиггса, имеют суммарный момент импульса, выражаемый целыми числами, такими как 0,1, 2 и т. Фермионы и бозоны различаются не только моментами импульса. Они очень по—разному себя ведут, когда в одном месте оказывается две или более одинаковые частицы. К примеру, идентичные фермионы с одинаковыми свойствами невозможно обнаружить в одном месте. Об этом говорит нам принцип исключения, или запрет Паули, названный в честь австрийского физика Вольфганга Паули. Именно этим свойством фермионов объясняется структура периодической системы Менделеева, основанная на том, что электроны, которые не отличаются друг от друга ни по одному квантовому числу, должны находиться на разных орбитах вокруг атомного ядра. По этой же причине мой стул не проваливается в центр Земли — фермионы стула просто не могут находиться в том же месте, что фермионы вещества планеты. Бозоны же ведут себя строго противоположным образом. Их как раз вероятнее найти в одном месте. Они могут буквально громоздиться один на другой — примерно как крокодилы; именно поэтому могут существовать такие явления, как бозе—конденсат, где частицы должны находиться в одинаковом квантово—механическом состоянии. В лазерах тоже используется бозонное родство фотонов. Интенсивный луч лазера состоит из множества идентичных фотонов. Интересно, что в суперсимметричной модели частицы, которые мы считаем очень разными, — бозоны и фермионы — можно заменить на противоположные, и в результате получится ровно то же, с чего все началось. У каждой частицы есть партнер противоположного квантово—механического типа, обладающий в точности такими же зарядами и массой и отличающийся только моментом импульса. Названия новых частиц звучат довольно забавно — на лекциях они обязательно вызывают смешки в аудитории. К примеру, партнером фермионного электрона является бозонный селектрон. Бозонный фотон состоит в паре с фермионным фотино, а W—бозон спарен с Wino—фермионом. Новые частицы взаимодействуют между собой подобно соответствующим частицам Стандартной модели, но при этом обладают противоположными квантово—механическими свойствами. В суперсимметричной теории свойства каждого бозона сопоставлены свойствам его суперпартнера—фермиона, и наоборот. Поскольку у каждой частицы есть суперпартнер, и все взаимодействия между ними строго сбалансированы, теория допускает существование столь причудливой симметрии, которая заменяет фермионы бозонами, и наоборот. Чтобы понять загадочную на первый взгляд взаимную компенсацию виртуальных вкладов в массу хиггса, следует вспомнить, что суперсимметрия подбирает каждому бозону соответствующий партнер—фермион. В частности, бозону Хиггса в этой модели ставится в соответствие фермион Хиггса, или хиггсино. Если на массу бозона квантово—механические добавки оказывают существенное влияние, то масса фермиона не может быть много больше его классической массы, то есть массы без учета квантово—механических поправок. Логика здесь заложена довольно тонкая, но большие поправки не возникают, потому что массы фермионов относятся как к правым, так и к левым частицам. Масса позволяет им превращаться друг в друга и обратно. Если классического массового члена нет и частицы не могут превращаться друг в друта до прибавления квантово—механических виртуальных эффектов, то они не смогут сделать этого и после учета всех квантово—механических вкладов. Если фермион с самого начала не имеет массы то есть не имеет классической массы , то его масса останется нулевой и после включения квантово—механических поправок. К бозонам подобные аргументы не применимы. Бозон Хиггса, к примеру, имеет нулевой собственный момент импульса, так что ни в каком смысле мы не можем говорить о том, что он вращается влево или вправо.
Теория позволяет ответить на вопрос, почему Вселенная имеет значительно большую массу, нежели ее дает сложение всех наблюдаемых в ней космических объектов. Однако необходимых подтверждений мы не получили», — сказала она. Впрочем, Шиарс оговорилась, что опровергать теорию она бы пока не взялась, и отметила, что не нашли подтверждения выводы ее упрощенной версии, а не более сложного варианта. По словам профессора Воробьева, о результатах экспериментов можно будет точно говорить в конце 2012 года Фото: hepd. Алексей Воробьев: В ходе эксперимента сталкиваются два протона больших энергий. В результате рождается много разных частиц.
Как мы знаем, Стандартная модель описывает элементарные частицы, которые составляют Вселенную, а также их взаимодействие. В настоящее время это одно из лучших описаний субатомного мира, в соответствии с ЦЕРН, которое, однако, имеет ряд брешей. Она не может описать гравитацию, не объясняет существование темной материи и не может предсказать массу бозона Хиггса. К Стандартной модели создаются дополнения, но ученые непрерывно ищут расхождения внутри нее, которые могут указать в направлении новой физики. И теория суперсимметрии является одним из лучших кандидатов на замену СМ. К примеру, из частиц-суперпартнеров могла бы получиться темная материя», — говорит Уильям Сатклифф, доктор философии Имперского колледжа в Лондоне.
«Вселенная удваивается»
В выводах, опубликованных в журнале Nature Physics, измерения не показали никакого правостороннего вращения. В конечном счете ученые получили результат, который был в соответствии со Стандартной моделью: прелестный кварк распадается только на верхний кварк, если имеет левосторонний спин. Это удар по суперсимметрии, который, однако, не сбрасывает теорию со счетов. И тот факт, что ученые смогли проделать такие измерения а ранее они казались слишком сложными , впечатляет. Это как искать иголку в стоге сена», — говорит Сатклифф.
Наступила эра редукционизма. А тем временем Ньютон понял, что падение камней и движение планет роднит общая причина: тяготение. Джоуль показал, что теплота — это вид энергии, как обнаружилось позднее — происходящий из движения крохотных частиц под названием «атомы». Для каждого химического элемента характерен свой тип атома. Максвелл объединил электричество и магнетизм в электромагнетизм. И всякий раз, когда прежде разрозненные эффекты получали объяснение в рамках общей теории, новые открытия и применения не заставляли себя долго ждать: приливы вызываются Луной, энергию можно использовать для охлаждения, колебательные контуры служат источниками электромагнитного излучения. В конце XIX века физики заметили, что атомы способны испускать и поглощать только свет с определенными длинами волн, но объяснения наблюдавшимся регулярностям ученые дать не могли. Чтобы с этим разобраться, они разработали квантовую механику, которая объяснила не только атомные спектры, но и большинство свойств химических элементов. К 1930-м годам физики выяснили, что все атомы имеют ядро, состоящее из меньших частиц — нейтронов и протонов — и окруженное электронами. На стезе редукционизма это стало еще одной вехой. Следующим шагом в истории объединения Эйнштейн примирил пространство и время и получил специальную теорию относительности, после чего свел воедино гравитацию и специальную теорию относительности, создав общую теорию относительности. В итоге возникла необходимость избавиться от противоречий между квантовой механикой и специальной теорией относительности, что привело к благополучному рождению квантовой электродинамики. Полагаю, примерно на этом этапе наши теории были самыми простыми. Но уже тогда физики знали о радиоактивном распаде — явлении, которое даже квантовая электродинамика объяснить не могла. Ответственность за распады возложили на новое, слабое взаимодействие, добавив его в теорию. Затем коллайдеры достигли энергий, достаточно высоких для того, чтобы нащупать сильное ядерное взаимодействие, — и на физиков обрушился «зоопарк» элементарных частиц см. Это временное приращение сложности быстро пресекли теория сильного ядерного взаимодействия и объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое, поскольку выяснилось, что большинство из той лавины частиц составные — собраны из всего лишь двадцати четырех частиц, которые уже нельзя разложить на части. Эти двадцать четыре частицы с бозоном Хиггса, добавившимся позже, их стало в итоге двадцать пять остаются элементарными и сегодня, и Стандартная модель плюс общая теория относительности до сих пор объясняют все наблюдения. Мы несколько оживили их темной материей и темной энергией, но, поскольку у нас нет никаких данных о микроскопической структуре этих темных лошадок, в настоящее время их трудно увязать всех вместе. Объединение, однако, шло столь успешно, что физики считали логичным следующим шагом появление теории Великого объединения. Группа содержит все преобразования, которые не изменят теорию, при условии что соблюдается симметрия. Группа симметрии круга, например, состоит из всех вращений вокруг его центра и обозначается как U 1. Пока в нашей дискуссии о симметрии мы обсудили лишь симметрии уравнений, законов природы. Однако наблюдаемое нами описывается не самими уравнениями, а их решениями. И сам по себе факт, что уравнение обладает симметрией, совершенно не означает, что решения этого уравнения обладают той же симметрией. Представьте себе волчок, крутящийся на столе рис. Окружающая его обстановка одинакова по всем направлениям, параллельным поверхности стола, значит, уравнения движения обладают вращательной симметрией относительно любой оси, перпендикулярной столешнице. Когда волчок закручивают, его движение сопровождается уменьшением момента импульса из-за трения. Поначалу волчок действительно подчиняется вращательной симметрии, но в конце концов он заваливается на сторону и останавливается.
Само по себе Великое объединение между тем не решает проблемы с массой бозона Хиггса. Физикам приходится еще и суперсимметризовать Великое объединение. Мы знаем, что суперсимметрия — если это суперсимметрия природы — должна нарушаться при энергиях выше тех, что нами пока достигнуты, ведь мы еще не засекли суперсимметричных частиц. Но мы так пока и не знаем, при какой энергии симметрия восстанавливается — и происходит ли это вообще. Аргумент, согласно которому суперсимметрия должна придать массе бозона Хиггса естественность, подразумевает, что энергия, при которой суперсимметрия нарушается, на Большом адронном коллайдере должна быть уже достигнута. Добавление суперсимметрии к Великому объединению не только еще больше увеличивает число симметрий — дополнительное преимущество в том, что это приводит к небольшому продлению времени жизни протона. Так, некоторые варианты суперсимметричной SU 5 -модели и поныне держатся на грани жизнеспособности. Тем не менее основная причина для добавления суперсимметрии заключается в числовом совпадении, которое мы обсуждали в четвертой главе, — в объединении констант взаимодействий см. Кроме того, теории Великого объединения имеют более строгую структуру, чем Стандартная модель, что добавляет им привлекательности. Скажем, теория электрослабого взаимодействия — это объединение неудовлетворительное, потому что в ней все еще есть две разные группы симметрии, U 1 и SU 2 , и две соответствующие константы взаимодействий. Две эти константы связаны параметром, который носит название «слабый угол смешивания», и в Стандартной модели его значение должно определяться экспериментально. При экстраполяции в область низких энергий это согласуется с экспериментальными данными. Многие физики думают, что эти числа не могут быть случайностью. Мне так часто говорили, что они просто обязаны что-то означать, что я и сама иногда верю, будто это так. Есть, правда, несколько «но», о которых вам следует знать. Что самое важное: насколько точно константы взаимодействий сходятся к одному значению, зависит от энергии, при которой нарушается суперсимметрия. Если эта энергия выше примерно 2 ТэВ, схождение в одну точку начинает ухудшаться. Большой адронный коллайдер уже почти исключил возможность того, что область нарушения суперсимметрии лежит ниже этой энергии, — а тогда рассыпется одно из главных привлекательных свойств суперсимметрии. Более того, если мы так жаждем Великого объединения, нет никаких особых причин, заставляющих константы взаимодействий всем скопом совпадать при одной и той же энергии — сначала вполне могли бы совпасть две из них, а потом уже к ним присоединилась бы третья. Просто это не было бы так красиво, поскольку задействовало бы дополнительную область энергий. Позвольте также упомянуть, что схождение в одну точку констант взаимодействий не связано исключительно с суперсимметрией. Это следствие добавления тяжелых частиц, которое начинает проявляться при высоких энергиях. Можно измыслить много других комбинаций дополнительных частиц, которые вынудят те кривые пересечься. В случае суперсимметрии мы не вольны выбирать дополнительные частицы, и физики считают, что эта жесткость свидетельствует в пользу теории. Более того, пересечение кривых в случае суперсимметрии стало неожиданностью, когда впервые было замечено. А как мы видели ранее, физики уделяют больше внимания неожиданным открытиям. Вот какие есть «но». Впрочем, в пользу суперсимметрии говорит еще кое-что: некоторые из новых суперсимметричных частиц имели бы нужные свойства, чтобы составлять темную материю. Они должны были бы возникать в изобилии в ранней Вселенной, никуда не деваться, будучи стабильными, и взаимодействовать очень слабо.
Стандартная модель — лучшее описание, которое у нас есть, но оно далеко от совершенства. Это набор уравнений, который описывает, как все известные элементарные частицы взаимодействуют с четырьмя фундаментальными силами: сильным и слабым взаимодействием, электромагнетизмом и гравитацией. 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. Хиггс, который физики наблюдали на БАК в 2012 году, намного легче, чем ожидалось.
Теория суперструн популярным языком для чайников
Суперсимметрия важна для теории струн, но наличие суперсимметрии в природе само по себе не означает, что последняя — правильная физическая теория. Теория Суперсимметрии имеет дело с Суперпространством, в котором трехмерие дополняется принципиально ненаблюдаемыми измерениями. Суперсимметрия предполагает удвоение (как минимум) числа известных элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров.
"Теория проигрывает эксперименту": новый кризис в физике высоких энергий?
| Суперсимметрия и суперкоординаты | Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. |
| Физики в Копенгагене подвели итоги 15-летнего пари о теории суперсимметрии | В чем заключается «кризис суперсимметрии», как «поделить» физику высоких энергий и для чего нужно строить у себя установки класса megascience, в интервью. |
| Теория суперструн популярным языком для чайников | Сформулированная в 1973 году, теория Суперсимметрии предполагает наличие у каждой известной науке элементарной частицы двойника, отличающегося своими характеристиками. |
«Уродливая Вселенная: как поиски красоты заводят физиков в тупик»
Причем это нарушение должно происходить при той же энергии, при которой нарушается электрослабая симметрия, в точке, когда переносчики слабого взаимодействия — W- и Z-бозоны — становятся массивными, а переносчики электромагнитного — фотоны — остаются безмассовыми. Считалось, что такое нарушение происходит при энергиях около 250 гигаэлектронвольт. Однако результаты БАКа показывают, что «точка разрыва» находится выше этого значения. Теория допускает существование тяжелых суперсимметричных частиц, однако модели становятся слишком сложными. Кроме того, суперсимметричных теорий довольно много - и эти эксперименты затронули одну-две из них», - сказал он РИА «Новости». Подписывайтесь на «Газету. Ru» в Дзен и Telegram.
Зачем нужен большой адронный коллайдер Большой адронный коллайдер — ускоритель частиц, благодаря которому физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Суть работ на коллайдере заключается в изучении столкновения двух пучков протонов с суммарной энергией 14 ТэВ на один протон. Эта энергия в миллионы раз больше, чем энергия, выделяемая в единичном акте термоядерного синтеза. Кроме того, будут проводиться эксперименты с ядрами свинца, сталкивающимися при энергии 1150 ТэВ.
Ускоритель БАК обеспечит новую ступень в ряду открытий частиц, которые начались столетие назад. Тогда ученые еще только обнаружили всевозможные виды таинственных лучей: рентгеновские, катодное излучение. Откуда они возникают, одинаковой ли природы их происхождение и, если да, то какова она? Сегодня мы имеем ответы на вопросы, позволяющие гораздо лучше понять происхождение Вселенной. Однако в самом начале XXI века перед нами стоят новые вопросы, ответы на которые ученые надеются получить с помощью ускорителя БАК.
Суперсимметричные расширения Стандартной модели Основная статья: Минимальная суперсимметричная стандартная модель Включение суперсимметрии в Стандартную модель требует удвоения количества частиц, поскольку никакие частицы в Стандартной модели не могут быть суперпартнерами друг друга. С добавлением новых частиц появляется много возможных новых взаимодействий. Простейшей возможной суперсимметричной моделью, совместимой со Стандартной моделью, является минимальная суперсимметричная стандартная модель MSSM , которая может включать необходимые дополнительные новые частицы, которые могут быть суперпартнерами частиц в Стандартной модели. Отмена квадратичной перенормировки массы бозона Хиггса между диаграммами Фейнмана с фермионной петлей топ-кварка и скалярным стоп- скварком с головастиком в суперсимметричном расширении Стандартной модели Одна из первоначальных мотиваций минимальной суперсимметричной стандартной модели возникла из проблемы иерархии.
Из-за квадратично расходящихся вкладов в квадрат массы Хиггса в Стандартной модели квантово-механические взаимодействия бозона Хиггса вызывают большую перенормировку массы Хиггса, и, если не происходит случайного сокращения, естественный размер массы Хиггса является наибольшим. Кроме того, электрослабая шкала получает огромные квантовые поправки планковского масштаба. Наблюдаемая иерархия между электрослабой шкалой и шкалой Планка должна быть достигнута исключительно точной настройкой. Эта проблема известна как проблема иерархии. Суперсимметрия, близкая к электрослабой шкале , например, в минимальной суперсимметричной стандартной модели , решила бы проблему иерархии, которая присуща Стандартной модели. Это уменьшило бы размер квантовых поправок за счет автоматической отмены между фермионными и бозонными взаимодействиями Хиггса, а квантовые поправки планковского масштаба отменяли бы между партнерами и суперпартнерами из-за знака минус, связанного с фермионными петлями. Иерархия между электрослабой шкалой и шкалой Планка могла бы быть достигнута естественным образом, без особой тонкой настройки. Другая мотивация для минимальной суперсимметричной стандартной модели исходит из великого объединения , идеи о том, что калибровочные группы симметрии должны объединяться при высоких энергиях. В Стандартной модели, однако, слабые , сильные и электромагнитные связи датчиков не могут быть объединены при высокой энергии.
В частности, эволюция ренормгруппы трех калибровочных констант связи Стандартной модели несколько чувствительна к нынешнему содержанию частиц в теории. Эти константы связи не совсем совпадают на общей шкале энергий, если мы запустим ренормализационную группу, используя Стандартную модель. После включения минимальной SUSY в электрослабой шкале работа калибровочных связей изменяется, и совместная сходимость калибровочных констант связи прогнозируется примерно при 10 16 ГэВ. Модифицированный ход также обеспечивает естественный механизм радиационного нарушения электрослабой симметрии.
Эти физики очень рассчитывали получить с помощью Большого адронного коллайдера первое экспериментальное подтверждение этой теории. Однако новое наблюдение, о котором было доложено на конференции по физике адронного коллайдера в Киото, противоречит многим моделям в рамках теории суперсимметрии. Теория суперсимметрии Гипотеза суперсимметрии была впервые сформулирована в 1973 году австрийским физиком Юлиусом Вессом и итальянским физиком Бруно Зумино и постулирует существование определенного рода симметрии между двумя основными классами частиц — бозонами и фермионами. Фактически, гипотеза суперсимметрии позволяет при помощи преобразований связать воедино вещество и излучение. На сегодня эта гипотеза не была подтверждена экспериментально. Для того чтобы фактически проверить ее, существует несколько возможностей. Одна из них заключается в поиске определенных цепочек превращения элементарных частиц в коллайдере внутри БАК элементарные частицы сталкиваются друг с другом, и этот процесс приводит последовательному образованию других частиц. Ученые искали такие цепочки превращений в данных, собранных детектором CMS. Второй вариант подразумевает не поиск новых частиц, а обнаружение «недостатка» энергии при определенных типах столкновений.