Самая амбициозная теория – теория струны, претендующая на единое описание всех сил природы, требует суперсимметрии для непротиворечивости и устойчивости. Когда суперсимметрия задана как местный симметрия, теория Эйнштейна общая теория относительности включается автоматически, и результат называется теорией супергравитация.
Гляжусь, как в зеркало: есть ли шансы у суперсимметрии?
Наиболее популярным кандидатом на роль вещества, которое могло бы сформировать первичные черные дыры, выступает темная материя, представляемая суперсимметричными частицами. Ученые полагают, что такого типа симметрия существовала на ранних этапах развития Вселенной, но в процессе ее старения расширения и охлаждения она нарушилась. Свои аргументы ученые из Университета Джонса Хопкинса основывают на двух обстоятельствах. Во-первых, современные модели предполагают, что первичные черные дыры попадают в интервал масс от десяти до ста солнечных.
В рамках Стандартной модели поправки к массе скалярного поля имеют квадратичную форму и оказываются существенно больше, чем масса поля, входящая в лагранжиан. Для сокращения таких поправок к массе Хиггса параметры Стандартной модели должны иметь очень точно определённые значения. В рамках MSSM поправки, как к фермионным массам, так и скалярным, имеют логарифмическую форму, и их сокращение происходит более естественно, но требует точной суперсимметрии. Кроме того, данное решение проблемы иерархии предполагает, что массы суперпартнёров не могут быть больше, чем несколько сотен ГэВ. Этот аргумент позволяет ожидать открытие суперсимметрии на коллайдере LHC. Унификация калибровочных бегущих констант. Известно, что в калибровочных теориях возникает явление бегущей константы связи, то есть значение константы взаимодействия изменяется в зависимости от того, на каком энергетическом масштабе наблюдается взаимодействие.
Стандартная модель базируется на трёх различных калибровочных группах. Значения констант этих групп различны на малых энергиях, и с увеличением энергии они меняются.
Первые ставки были сделаны еще в 2000 году, когда началось строительство Большого адронного коллайдера БАК. Ученые с мировым именем поспорили, будут ли с его помощью открыты новые частицы, подтверждающие теорию суперсимметрии, согласно которой каждая частица должна иметь своего суперпартнера. В понедельник участники пари встретились в Международной академии имени Нильса Бора.
Рубаков В. Физика будущего: где ждать прорывов и как отменить Большой взрыв. Levin B. Progress in Physics, v. Fayet and M. B104 3 , p. Левин Б. Westbrook, D. Gidley, R. Conti, and A. Precision measurement of the orthopositronium vacuum rate using the gas technique. A40 10 , p. Nico, D. Gidley, and A. Rich, P.
Эксперимент на Большом адронном коллайдере опроверг современную теорию мироздания
Так что суперсимметрия должна нарушаться в том смысле, что отношения, предсказанные теорией суперсимметрии, не могут быть строгими. В чем заключается «кризис суперсимметрии», как «поделить» физику высоких энергий и для чего нужно строить у себя установки класса megascience, в интервью. Киральная симметрия (от греч. cheir — рука) — инвариантность уравнений квантовой теории поля относительно преобразований, перемешивающих состояния частиц как с различными. Многие думают, что даже если большинство теорий суперсимметрии не подтвердились, появятся новые, которые будут включать этот принцип, но в другой концепции. Иконка канала Математические теоремы: между теорией и практикой.
🔸 Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной🔸
Чем больше мы исследуем теорию суперсимметрии, тем неотразимее она становится», — пишет специалист по физике элементарных частиц Дэн Хупер. Теория струн, пожалуй, самая спорная большая идея во всей сегодняшней науке – Самые лучшие и интересные новости по теме: Атом, бозон Хиггса, квантовая физика на. му же, в этом случае у нас исчезают расходимости в первом порядке теории возмущений, что тоже является одним из плюсов суперсимметрии. Во всех теориях суперсимметрии предполагается, что персимметрию уже на основе первых данных с БАК.
СУПЕРСИММЕ́ТРИ́Я
Это предсказание вошло в противоречие со всеми экспериментальными наблюдениями и бросило серьезную тень на теорию струн. Она предсказывает, что у каждой частицы есть свой суперпартнер и, по необычному совпадению, то же самое условие фактически устраняет тахион. Другая необычная особенность в том, что теория струн требует существования десяти пространственно-временных измерений. 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.
Согласно теории нарушенной суперсимметрии у каждой частицы по—прежнему есть суперпартнер, но массы этих суперпартнеров отличаются от масс оригинальных частиц Стандартной модели. Однако если суперсимметрия нарушена слишком сильно, она не сможет разрешить проблему иерархии, потому что мир при сильно нарушенной симметрии выглядит в точности так же, как если бы этой симметрии вовсе не было. Суперсимметрия должна быть нарушена ровно настолько, чтобы мы до сих пор не могли наблюдать ее признаков, но чтобы масса Хиггса была тем не менее защищена от больших квантово—механических вкладов, которые сделали бы ее слишком большой. Это говорит о том, что суперсимметричные частицы должны иметь массы масштаба слабого взаимодействия. Будь они легче — и мы бы их уже обнаружили; будь они тяжелее — и следовало бы ожидать более тяжелого хиггса. Мы не можем точно сказать, какими будут эти массы, ведь и масса Хиггса известна нам лишь очень приблизительно.
Но мы знаем, что если эти массы окажутся слишком большими, то проблема иерархии никуда не денется. Поэтому мы делаем вывод о том, что если суперсимметрия существует в природе и решает проблему иерархии, то должно существовать множество новых частиц с массами в диапазоне от нескольких сотен гигаэлектронвольт до нескольких тераэлектронвольт. Это именно тот диапазон, в котором БАК должен будет вести поиск. При энергии столкновения 14 ТэВ коллайдер должен выдавать эти частицы даже с учетом того, что кваркам и глюонам, порождающим при столкновении новые частицы, достается лишь небольшая часть исходной энергии протонов. Проще всего будет получить на БАКе суперсимметричные частицы, несущие сильный или цветовой заряд. Эти частицы при столкновении протонов или, точнее, при столкновении кварков и глюонов в них могут рождаться в изобилии. Иными словами, при штатной работе БАКа могут возникать новые суперсимметричные частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Если это так, они оставят в детекторах очень заметные и характерные следы.
Эти сигнатуры — экспериментальные свидетельства, оставляемые частицей — зависят от того, что происходит с частицей после возникновения. Большинство суперсимметричных частиц будут быстро распадаться. Причина в том, что, как правило, для каждой такой тяжелой частицы существует более легкая частица такая как частицы Стандартной модели с точно таким же полным зарядом. Если это так, то тяжелая суперсимметричная частица распадется на частицы Стандартной модели таким образом, чтобы сохранился первоначальный заряд, и эксперимент обнаружит только частицы Стандартной модели. Вероятно, этого недостаточно, чтобы распознать суперсимметрию. Однако почти во всех суперсимметричных моделях суперсимметричная частица не может распадаться исключительно на частицы Стандартной модели. После ее распада должна остаться другая более легкая суперсимметричная частица. Причина в том, что суперсимметричные частицы появляются или исчезают только парами.
Поэтому на месте распада одной суперсимметричной частицы должна остаться другая суперсимметричная частица. Следовательно, самая легкая из таких частиц должна быть стабильной. Эта самая легкая частица, которой не на что распадаться, известна физикам как легчайшая суперсимметричная частица, или LSP. С экспериментальной точки зрения распад суперсимметричной частицы характерен тем, что даже после завершения всех процессов легчайшая из нейтральных суперсимметричных частиц должна остаться. Космологические ограничения говорят о том, что LSP не несет никаких зарядов и потому не будет взаимодействовать ни с одним из элементов детектора. Это означает, что в каждом случае возникновения и распада любой супер- симметричной частицы экспериментальные результаты покажут, что импульс и энергия не сохраняются, их часть куда? Частица LSP уйдет незамеченной и унесет свои импульс и энергию туда, где их невозможно будет зарегистрировать; сигнатурой LSP будет дефицит энергии. Предположим, к примеру, что в результате столкновения возникает скварк — суперсимметричный партнер кварка.
На какие частицы он распадется, зависит от его массы и от того, какие имеются более легкие частицы. Одним из возможных вариантов распада будет превращение скварка в обычный кварк и легчайшую суперсимметричную частицу рис. Напомню, что распад может происходить практически немедленно, и детектор зарегистрирует только его продукты. Если произошел распад скварка, детекторы зарегистрируют пролет кварка в трекере и в адронном калориметре, который измеряет энергию, отдаваемую частицами, участвующими в сильном взаимодействии, но установка определит также недостачу части импульса и энергии. Тот факт, что импульса не хватает, экспериментаторы определят точно так же, как и при рождении нейтрино. Они измерят весь поперечный по отношению к пучку импульс и обнаружат, что в сумме он не равен нулю. Одна из сложнейших задач, стоящих перед экспериментаторами, — достоверно и однозначно распознать недостачу импульса.
С чем они связаны? Когда развитие замедляется, то, как правило, начинаются поиски "злодеев", которые довели нас "до такой жизни". Нужно разделять теорию — феноменологию частиц и теорию струн, чье отношение к "реальной физике" пока не до конца определено. Есть огромное число моделей, которые никак с ней не связаны, и многие практические вопросы тоже ее не затрагивают и не зависят от нее. Ожидает ли нас такая же революция, сопоставимая по масштабам с созданием квантовой физики? В каком-то смысле современная ситуация и то, что происходило в конце 19 века, очень похожи друг на друга. В то время мы достигли пределов классической физики, но еще не начали замечать квантовых эффектов. Всем казалось, что фундаментальная наука закончилась, и что остались лишь различные мелочи и прикладная физика. Но потом появился Планк и его открытия, и ситуация резко изменилась. Можно ли ожидать какого-то эпохального открытия в экспериментальной физике или, что не менее важно и возможно, в космологии? Не стоит забывать, что космос — это гигантская лаборатория по изучению физики частиц на самых высоких энергиях. Вполне возможно, что гравитационные волны помогут нам заглянуть в самые ранние эпохи жизни Вселенной, когда она еще не была прозрачной для света. Может быть, наши коллеги найдут там что-то, что перевернет не только космологию, но и выведет физику частиц на новый уровень. Как показывают примеры темной материи и темной энергии, проблемы макро- и микромира неразрывно связаны между собой. Есть, конечно, и более пессимистический сценарий — не исключено и то, что мы просто достигли пределов человеческого знания и способности познавать мир. Кто-то из великих физиков, кажется, Леонард Сасскинд, любит говорить, что коту можно объяснять квантовую механику до посинения, но он никогда не поймет, как решать уравнение Шредингера. Мне вот кажется, что котик просто отлично понимает, что его покормят колбаской и без всякого уравнения Шредингера. Лично я, как простой советский человек, усердно конспектировавший "Материализм и эмпириокритицизм", верю в бесконечность познания и неисчерпаемость наших возможностей расширять пределы науки. К сожалению, этого не произошло и не понятно, произойдет ли в будущем. Вероятность этого, на мой взгляд, крайне мала, но экспериментаторы скрипят зубами, но продолжают эти поиски. Что касается гравитационных волн от астрофизических черных дыр, ситуация тут сложнее, так как эти волны больше касаются классической физики, нежели квантовой гравитации. Могут ли они дать нам что-то принципиально новое в смысле обобщений теории гравитации, я не знаю. Их изучение было бы интересным, однако тут мы столкнемся с теми же ограничениями и проблемами, которые накладываются теорией струн и отсутствием надежных предсказаний. Схема ускорительного комплекса проекта NICA К примеру, если попытаться оценить космологическую постоянную Эйнштейна из соображений размерности — она обратно пропорциональна квадрату планковской длины, то у нас получится значение, на 120 порядков превышающее то, что мы наблюдаем в реальности. Это, как часто говорят, худшее предсказание теоретической физики за всю ее историю.
Ученые ЦЕРН, объявившие в прошлом месяце, что, они почти наверняка, обнаружили неуловимый бозон Хиггса, изучали огромное количество материалов, полученных из большого адронного коллайдера в научно-исследовательском центре в Женеве на предмет того, что они называют SUSY. Суперсимметрия или SUSY — это теория, в которой считается, что каждая из элементарных частиц, составляющих Вселенную, имеет почти одинокого, но не совсем идентичного, «суперпартнера». Его существование подтвердило предполагаемое открытие Хиггса, с которым, по словам физиков, он неразрывно связан. Суперсимметрия — это сопряженная симметрия пространства и времени.
«Обнаруженные частицы Хиггса подтверждают теорию суперсимметрии»
Она основана на предположении, что существует гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить вещество во взаимодействие, и наоборот. Теория суперсимметрии выдвигалась многими физиками-теоретиками в качестве средства объяснения некоторых несоответствий в Стандартной модели Вселенной. 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.
В ходе них установлено, что распад В-мезона происходит не столь часто, как если бы существовал его суперсимметричный партнер, наличие которого предполагает теория. Однако Тара Шиарс отказалась полностью отвергнуть теорию Суперсимметрии и заметила, что не нашли подтверждения выводы ее упрощенной версии, а не более сложного варианта.
И ничего не было бы больше. Хорошо, что науке предстоит ещё такое открывать, что мы пока и не представляем себе этого! LHC себя ещё покажет.
На данный момент в мире проводятся более десяти экспериментов по поиску темной материи, но результата пока нет. Но и вопрос техники, конечно, тоже. Это как с гравитационными волнами. Чувствительность улучшалась на протяжении многих лет, и когда был достигнут порог, результаты вдруг посыпались как из рога изобилия. До этого, в 1990-х, в Fermilab был открыт т-кварк. Главные задачи на ближайшее время для науки — придумать механизм, который бы объяснил наличие массы у нейтрино, а также включить гравитацию в «новую модель мира». Замечу также, что даже в обычной квантовой механике и физической оптике по-прежнему много актуальных не отвеченных вопросов. Можно ли делать интересную физику на маленьких машинах? Но в основном все простые эксперименты уже проведены, и, если говорить про физику частиц, получение большой энергии подразумевает большой масштаб. Зачем строить такие установки на территории своей страны, если можно изучать физику у соседей? Также им повезло, что они находятся в «правильном месте». ОИЯИ является международной организацией, и им проще организовать международную коллаборацию, без которой создание установки такого класса было бы гораздо труднее. Если же говорить о том, зачем строить установки такого класса у себя, то, во-первых, это вопрос престижа государства. Во-вторых, если хочешь пользоваться плодами мировой науки, необходимо развивать ее у себя. Ученые работают все вместе — если кто-то предложил интересную идею, об этом становится известно всем, но реализует ее лишь тот, у кого есть не только интеллект, но и средства. Наука похожа на спорт, и, если у тебя нет амбиций, трудно чего-то добиться. Развитие фундаментальной науки очень важно. Если вы хотите, чтобы в вашей стране были профессора мирового уровня — необходимо, чтобы они работали именно у вас, а не в CERN. Потому что, если в ваших вузах преподают лучшие профессора, у вас и студенты будут соответствующие. Например, мое поколение получило фантастически хорошее образование. Я скорее отрицательно отношусь к рейтинговой системе оценок университетов, потому что она ориентирована на «западный» стиль организации науки, в котором тоже есть проблемы. Мне кажется более привлекательным способ организации науки как в Новосибирском Академгородке в Советском Союзе, где университет и научные институты были единым целым. Насколько я понимаю, эта система действует до сих пор. Лучшее учебное заведение в районе Fermilab — Чикагский университет — в одном часе езды на автомобиле, и то если повезет с трафиком. Также до недавнего времени к нам на стажировку приезжали ребята из России. Для них это хороший опыт, и для нас польза. Как это получилось? По результатам экспериментов я защитил кандидатскую диссертацию. Мне повезло с учителями. Пожалуй, наибольшее влияние на мое воспитание как ученого оказал Василий Васильевич Пархомчук теперь академик. Когда я еще был студентом, я участвовал в экспериментах на НАП-М накопитель антипротонов , где Василий Васильевич был основной движущей силой. Это был один из лучших экспериментов ИЯФ. За изучение однопролетного электронного охлаждения мы получили премию Сибирского отделения Академии наук. В 1994 году я уехал, сначала в Данию, а через год в Америку. Однако отмечу, что при этом ни одна лаборатория, работающая в физике высоких энергий в России, не сохранила научный потенциал так, как это сделали в Новосибирске. Даже технику безопасности можно довести до полной потери какого бы то ни было смысла. Один мой знакомый стоял на лестнице между двумя этажами, потерял равновесие, упал и порвал связку на ноге.
Поиски суперсимметрии на коллайдере принесли новую интригу
Суперсимметрия важна для теории струн, но наличие суперсимметрии в природе само по себе не означает, что последняя — правильная физическая теория. Многие думают, что даже если большинство теорий суперсимметрии не подтвердились, появятся новые, которые будут включать этот принцип, но в другой концепции. Чем больше мы исследуем теорию суперсимметрии, тем неотразимее она становится», — пишет специалист по физике элементарных частиц Дэн Хупер. Теория суперсимметрии выдвигалась многими физиками-теоретиками в качестве средства объяснения некоторых несоответствий в Стандартной модели Вселенной. В новостях можно иногда встретить утверждение, что отрицательные данные LHC ставят крест на идее суперсимметрии. суперсимметрия.
Суперсимметрия
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. Согласно положениям гипотезы суперсимметрии, за такой недостаток «ответственны» нейтралино — один из типов гипотетических суперсимметричных частиц. По итогам анализа части данных, собранных на детекторах CMS и ATLAS в течение 2010 года, ученые не обнаружили событий, которые соответствовали бы проявлениям гипотезы суперсимметрии. Однако исследователи отмечают, что пока рано полностью исключать ее — с их точки зрения, новые результаты только устанавливают более высокие энергетические пределы для проявления суперсимметрии. 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.
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. 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. Тем не менее открытие суперсимметрии по крайней мере даст апологетам теории струн знать, что они идут в правильном направлении. Бозоны Хиггса 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. 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.
Квантовые флуктуации суперсимметричных частиц отлично уравновешивают таковые у обычных частиц, что возвращает диапазон масс бозона Хиггса к приемлемым значениям. Теоретики также обнаружили, что теория суперсимметрии может решить другие проблемы. Некоторые из самых легких суперсимметричных частиц могут оказаться темной материей, за которой астрофизики охотятся с 1930-х годов. Теория суперсимметрии может быть использована для объединения всех взаимодействующих сил во Вселенной, кроме гравитации — это был бы большой шаг к единой теории поля, объединяющей и объясняющей всю известную физику. Пока что коллайдеры не дали подтверждения теории суперсимметрии. Частицы-суперпартнеры должны оказаться намного тяжелее обычных частиц. А в настоящее время БАК быстро накапливает данные при еще более высоких энергиях, сокращая "тяжелую область" для суперчастиц. К концу года он достигнет 1000 ГэВ, что потенциально исключит некоторые вариации теории суперсимметрии, которым отдавалось наибольшее предпочтение.
Мы знаем, что Хокинг считал, что так называемая M-теория — наш лучший шанс создать полную теорию вселенной. Но что это? С тех пор, как в 1915 году была сформулирована общая теория относительности Эйнштейна, каждый физик-теоретик мечтал примирить наше понимание бесконечно малого мира атомов и частиц с бесконечно большим масштабом космоса. Если последнее отлично описывается уравнениями Эйнштейна, первое с необычайной точностью прогнозируется так называемой Стандартной моделью фундаментальных взаимодействий. Наше нынешнее понимание состоит в том, что взаимодействие между физическими объектами описывается четырьмя фундаментальными силами. Две из них — гравитация и электромагнетизм — проявляются для нас на макроскопическом уровне, мы имеем с ними дело каждый день. Остальные две — слабое и сильное взаимодействие — проявляются на очень малых масштабах и только когда мы имеем дело с субатомными процессами. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий обеспечивает единую структуру для трех из этих сил, но гравитация никак не хочет вписываться в эту картину. Несмотря на точное описание крупномасштабных явлений, таких как поведение планеты на орбите или динамика галактик, общая теория относительности перестает работать на очень коротких дистанциях. Согласно Стандартной модели, все силы опосредуются определенными частицами. В случае с гравитацией работу выполняет гравитон. Но когда мы пытаемся рассчитать взаимодействия этих гравитонов, появляются бессмысленные бесконечности в уравнениях.
Суперсимметрия и суперкоординаты
Профессор Вал Гибсон, руководитель группы исследователей из Кембриджа, которая участвует в эксперименте LHCb, заявил, что новые результаты ставят в опасное положение тех его коллег, кто работает с теорией суперсимметрии. Эти результаты на самом деле полностью укладываются в Стандартную модель. Суперчастицы до сих пор не обнаружены и другими детекторами на других ускорителях. Загадка темной материи Если теория суперсимметрии не в состоянии объяснить существование темной материи, теоретикам придется искать другие объяснения несоответствий в Стандартной модели. Пока что физики, которые спешат предложить свои варианты новой физической теории, терпят неудачу. Однако сторонники теории суперсимметрии, например, профессор Джон Эллис из Королевского колледжа в Лондоне, возражают на это, указывая, что полученные результаты не противоречат этой теории. Меня лично этот результат не очень расстраивает", - говорит ученый. В 2011 году на Большом адронном коллайдере была проведена серия экспериментов, в ходе которых проверялись фундаментальные выводы теории суперсимметрии, а также верность описания ею физического мира. Как заявила 27 августа 2011 года представитель ЦЕРН профессор Тара Шиарс, эксперименты не подтвердили основные положения теории.
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. Боле того, наша новая теория предсказывает некоторые особенности, которые могут облегчить жизнь ученым, производящим поиски частиц темной материи». Как уже упоминалось выше, сейчас существует множество теорий, призванных объяснить малую массу бозона Хиггса. Эти теории включают в себя релаксационную полевую модель relaxion field model , базирующуюся на одном из новых явлений квантовой космологии, «эгоистичную» модель Хиггса. Так же существуют и более классические теории, согласно которым бозон Хиггса является сложной частицей, основанной на новом типе симметрии, суперсимметрии. Но, в конце концов, только время и эксперименты позволят расставить все точки над «i» и определить ту модель и теорию, которая будет преобладающей в физике на долгие годы вперед.
Они отвечают за «перенос» слабого взаимодействия. Эти бозоны были открыты на протонном суперсинхротроне в 1983 году. Казалось бы, каким образом можно объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, если у первых радиус взаимодействия бесконечен действительно, мы видим свет — электромагнитное излучение — от удаленных галактик и других астрономических объектов , а у вторых он не превышает размеры атомного ядра? Оказывается, такая «несимметричность» связана с тем, что масса фотонов равна нулю, а масса W- и Z-бозонов очень большая, они примерно в 100 раз тяжелее протона. Нарушение так называемой электрослабой симметрии является важным свойством теории электрослабых взаимодействий этой симметрией обладают уравнения теории. В результате нарушения W- и Z-бозоны и некоторые другие частицы например, электроны приобретают массы. В рамках модели Янга — Миллса калибровочные бозоны нельзя сделать массивными, не разрушив калибровочную симметрию. Для нарушения электрослабой симметрии был придуман механизм Хиггса. Основная идея заключается в том, что все пространство пронизывает специальное хиггсовское поле, которое взаимодействует с остальными полями и нарушает симметрию, хотя уравнения теории остаются симметричными. Возмущения хиггсовского поля должны проявляться на эксперименте как новые частицы — хиггсовские бозоны. Бозон Хиггса — очень тяжелая частица, тяжелее W- и Z-бозонов. Поэтому она пока не открыта экспериментально. 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. Нейтралино — одна из гипотетических частиц, предсказываемых теориями, включающими суперсимметрию. Так как суперпартнёры Z-бозона, фотона и бозона Хиггса соответственно: зино, фотино и хиггсино имеют одинаковые квантовые числа, они смешиваются, образуя собственные состояния массового оператора, называемые нейтралино. Свойства нейтралино зависят от того, какая из составляющих зино, фотино, хиггсино доминирует. Легчайшее нейтралино стабильно, если оно легче гравитино, а R-чётность сохраняется. Нейтралино участвует только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Если нейтралино является стабильной или долгоживущей частицей, то при рождении в ускорительных экспериментах оно будет ускользать от детекторов частиц; однако большие потери энергии и импульса в событии такого рода могут служить экспериментальным проявлением рождения этой частицы. Стабильные реликтовые нейтралино могут быть обнаружены по рассеянию на ядрах в неускорительных экспериментах по поиску частиц тёмной материи. Легчайшее нейтралино массой 30-5000 ГэВ является основным кандидатом в составляющие холодной тёмной материи из слабовзаимодействующих массивных частиц вимпов. 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.
Минимальное суперсимметричное расширение Стандартной модели называется «минимальная суперсимметричная Стандартная модель» MSSM. В MSSM необходимо добавить дополнительные поля так, чтобы построить суперсимметричный мультиплет с каждым полем Стандартной модели. Для материальных фермионных полей — кварков и лептонов — нужно ввести скалярные поля — скварки и слептоны, по два поля на каждое поле Стандартной модели. Для нарушения электрослабой симметрии в MSSM нужно ввести 2 хиггсовских дуплета в обычной Стандартной модели вводится один хиггсовский дуплет , то есть в MSSM возникает 5 хиггсовских степеней свободы — заряженный бозон Хиггса 2 степени свободы , лёгкий и тяжёлый скалярный бозон Хиггса и псевдоскалярный бозон Хиггса. В любой реалистической суперсимметричной теории должен присутствовать сектор, нарушающий суперсимметрию. Наиболее естественным нарушением суперсимметрии является введение в модель так называемых мягких нарушающих членов. В настоящее время рассматриваются несколько вариантов нарушения суперсимметрии. SUGRA — нарушение суперсимметрии , основанное на взаимодействии с гравитацией; GMSB — нарушение за счёт взаимодействия с дополнительными калибровочными полями с зарядами по группе Стандартной модели ; AMSB — нарушение, также использующее взаимодействие с гравитацией, но с применением конформных аномалий. Достоинства идеи суперсимметрии Теории, включающие суперсимметрию, дают возможность решить несколько проблем, присущих Стандартной модели: Решение проблемы иерархии.