С ней должна уйти на покой теория расширения пространства, из которой происходят теории тёмной материи и энергии. Теория суперсимметрии основывается на стандартной модели физики, которая включает гравитацию и объясняет существование темной материи и темной энергии. На днях теория суперсимметрии получила еще один удар от большого адронного коллайдера (бак. Теория струн предсказывает, что между этими двумя частицами существует связь, называемая суперсимметрией, при которой для каждого фермиона должен существовать бозон, и наоборот. Теория суперсимметрии предполагает, что физические законы должны оставаться неизменными при перестановке бозонных и фермионных частиц.
Суперсимметрия и суперкоординаты
Гляньте на себя в зеркало - вы совершенно симметричны! Ваша правая сторона симметрична левой. Теперь, если вы оденете красивое платье, головной убор, туфельки и всё это будет симметрично не только по форме, но еще и по цвету... Вы супер"!!! Вот это и есть супер симметрия!
Суперсимметрия, связывающая в природе все элементарные частицы и утверждающая, что они представляют собой, так сказать, суперзеркальные отражения одного и того же, в качестве гипотезы была предложена в начале семидесятых и очень хорошо описывала все происходящее в микромире. Даже исключения, называемые "нарушениями суперсимметрии", не столько огорчали, сколько раззадоривали физиков. Однако теория, за свою красоту многими воспринимаемая как истина в последней инстанции, все же осталась гипотезой, не подтвержденной прямыми экспериментами. Согласно ей, у каждой частицы существует "двойник". Его очень трудно обнаружить, но не быть его не может.
Основная теорема показывает, что для каждого собственного состояния одного гамильтониана, его гамильтониан-партнер имеет соответствующее собственное состояние с той же энергией. Этот факт можно использовать для вывода многих свойств спектра собственных значений. Это аналогично новому описанию SUSY, которое относилось к бозонам и фермионам. Можно представить «бозонный гамильтониан», собственными состояниями которого являются различные бозоны нашей теории. А SUSY-партнер этого гамильтониана будет «фермионным», а его собственными состояниями будут фермионы теории. У каждого бозона будет фермионный партнер с равной энергией. Суперсимметрия в физике конденсированного состояния[ править править код ] Концепции SUSY оказалась полезной для некоторых применений квазиклассических приближений.
Кроме того, SUSY применяется к системам с усредненным беспорядком, как квантовым, так и неквантовым посредством статистической механики , уравнение Фоккера — Планка — это пример неквантовой теории. Использование метода суперсимметрии обеспечивает математически строгую альтернативу методу реплик , но только в невзаимодействующих системах, который пытается решить так называемую «проблему знаменателя» при усреднении по беспорядку.
Однако, открытие бозона Хиггса поставило перед учеными очередную загадку — масса самой этой частицы в 125 ГэВ удивительно мала по сравнению с ожидаемыми величинами. И ученые уже выдвинули ряд теорий, разработали ряд моделей, вроде бы как объясняющих столь малую массу бозона Хиггса, но ни одна из этих теорий и моделей пока не получила никаких экспериментальных подтверждений. Согласно новой теории, в самый ранний период существования Вселенная являлась «коллекцией» множества параллельных Вселенных, в каждой из которых бозон Хиггса имел свое уникальное значение массы. Вселенные, в которых бозон имел большое значение массы, разрушились первыми в горниле Большого Взрыва. Чем большую массу имел бозон Хиггса в каждой конкретной Вселенной, тем раньше она разрушилась, а наша современная Вселенная может быть одной из Вселенных с самым легким бозонам Хиггса, которым удалось пережить катаклизм и не разрушиться при этом. Кроме этого откровенно фантастического сценария, новая теория включает в себя две новые частицы, которые идут в дополнение к известным частицам, определенным Стандартной Моделью.
Физики в Копенгагене подвели итоги 15-летнего пари о теории суперсимметрии
С ней должна уйти на покой теория расширения пространства, из которой происходят теории тёмной материи и энергии. Теория струн (теория суперструн) и суперсимметрия претендуют на роль Единой Теории Поля. Тем не менее этот вопрос был решен в начале 1980-х годов вместе с введением в теорию струн так называемой “суперсимметрии”. 28 апреля - 43672616965 - Медиаплатформа МирТесен.
С теорией суперсимметрии придётся расстаться
На днях теория суперсимметрии получила еще один удар от большого адронного коллайдера (бак. Теория струн (теория суперструн) и суперсимметрия претендуют на роль Единой Теории Поля. Иконка канала Математические теоремы: между теорией и практикой. Суперсимметрия дает способ объединить электрослабое и сильные взаимодействия и в конечном счете создать единую теорию поля. Иконка канала Математические теоремы: между теорией и практикой. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга.
[Перевод] Суперсимметрия не подтверждается экспериментами, и физики ищут новые идеи
По популярным моделям, чтобы избежать обнаружения, частицам-суперпартнёрам приходиться быть сильно тяжелее своих двойников, и вместо симметрии появляется какое-то кривое зеркало. Физики выдвинули огромное количество идей о том, как симметрия может быть сломана, и породили тысячи версий суперсимметрии. Но нарушение суперсимметрии — это новая проблема. Большинство специалистов по физике частиц в 1980-х считали, что суперпартнёры будут лишь немного тяжелее известных частиц. Но на Теватроне, ускорителе в Fermilab, ныне отстранённом от работы, ничего подобного не нашли. И в то время, как БАК тестирует всё более высокие энергии, не находя и следа суперсимметричных частиц, некоторые физики утверждают, что теория мертва. В настоящее время большинство рабочих версий суперсимметрии предсказывают настолько тяжёлых суперпартнёров, что они бы пересилили эффекты от своих лёгких близнецов, если бы не точно настроенные взаимоуничтожения воздействий между различными суперпартнёрами. Но тонкая подстройка, предназначенная для нейтрализации проблем теории и решения проблемы иерархии, не нравится многим. Некоторые теоретики ломятся дальше, и утверждают, что, несмотря на красоту изначальной теории, в природе может существовать уродливая комбинация частиц-суперпартнёров и капельки подстроек. В иных моделях суперпартнёры не тяжелее существующих частиц, но менее стабильны, из-за чего их труднее обнаружить. Эти теории будут и далее проверяться на БАК после апгрейда.
Если ничего нового не найдут — а о таком развитии событий говорят, как о «кошмарном сценарии» — физикам останутся всё те же пробелы, что путали им всю картину Вселенной три десятка лет назад, до того, как их аккуратно закрыла суперсимметрия. И при отсутствии коллайдера более высоких энергий, говорит Фальковский, эта область будет медленно деградировать.
Но ни у одной из этих частиц нет свойств, подходящих для того, чтобы быть кому-то суперпартнёром.
Поэтому, если бы суперсимметрия была природной симметрией, у каждого из известных нам типов элементарных частиц должны были бы быть партнёры, пока нами не открытые. А поскольку нам известно более 20 частиц, то работы у нас непочатый край! Так что же это за симметрия?
Это симметрия, связывающая пространство и время с направлениями пространства и времени суперпартнёров — иначе говоря, у пространства-времени имеются дополнительные измерения, непохожие на знакомые нам. В бозонном измерении — к ним мы привыкли — можно двигаться сколько угодно далеко, допустим, шаг за шагом продвигаться влево. В фермионном измерении всё устроено так, что можно сделать только один шаг.
Если сделать ещё один шаг, то вы окажетесь нигде. Вы можете только вернуться. Это звучит странно, и это так и есть; в итоге приходится определять такие измерения через математику, а не при помощи слов или аналогий.
Теория относительности Эйнштейна прекрасно справляется с описанием и предсказанием множества аспектов нашего мира. Его теория состоит из набора уравнению, подчиняющихся определённому набору симметрий. К примеру — трансляционная симметрия, или симметрия, связанная с переносом эксперимента из одного места пространства-времени в другое: эксперимент, проведённый сегодня в Лондоне, даст такой же результат, как тот же самый эксперимент, проведённый через несколько месяцев в Токио.
В 1960-х математически было доказано, что суперсимметрия — это единственная симметрия, которую можно добавить к симметриям теории Эйнштейна так, чтобы получившиеся уравнения не стали расходиться со свойствами реального мира. В этом смысле суперсимметрия стоит особняком. Где же эти частицы-суперпартнёры?
Если бы суперссиметрия была точной симметрией природы, мы бы уже нашли множество суперпартнёров. Перед тем, как следовать далее, давайте вспомним, какие нам известны элементарные частицы. В статье по ссылке рис.
Имена у них довольно уродливые, сэлектрон и странный скварк, где «с» означает суперсимметрию. Вы можете спросить, почему их по две и почему для каждого нейтрино всего по одной. Обратитесь к рис.
У фотона есть фотино, у глюонов — глюино, и т. С массивными W-бозонами всё чуть сложнее. К сожалению, в физике частиц с именованием частиц есть постоянная проблема — букв не хватает.
У всех этих частиц точно такая же масса, в этом воображаемом суперсимметричном мире. Одна безмассовая, вторая массивная.
Взаимодействие между частицами переносится специальными полями.
Предполагается, что частицы материи в процессе взаимодействия испускают и поглощают другие частицы — кванты поля-переносчика. Первый успешный пример квантовой теории поля — квантовая электродинамика — был построен в работах Фейнмана, Швингера и Томонаги в середине двадцатого века, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1965 году. Квантовая электродинамика рассматривает взаимодействие между заряженными частицами например, электронами и позитронами , возникающее вследствие обмена фотонами — квантами электромагнитного поля.
Вплоть до настоящего времени квантовая электродинамика остается самой точной физической теорией. Симметрия в физике элементарных частиц Под симметрией физики понимают неизменность чего-либо при выполнении определенных преобразований. При этом большую роль играет симметрия законов, или уравнений.
Дмитрий Васильевич Волков 1925-1996 : историческая справка Д. Волков — выдающийся физик-теоретик, академик Национальной академии наук Украины, крупный специалист в области элементарных частиц, квантовой электродинамики, ядерной физики, квантовой теории поля, физики твердого тела. В этом году ему должно было исполниться 80 лет.
Двадцатипятилетним молодым человеком приехал в Харьков Дмитрий Волков и на протяжении 45 лет его деятельность была связана с этим городом. В 1951 году он приехал сюда с группой студентов из разных вузов страны он — из Ленинградского университета по приказу Министерства высшего образования для продолжения учебы в Харьковском университете на вновь организованном отделении ядерной физики при физико-математическом факультете. Родился Д.
Волков 3 июля 1925 года в Ленинграде в семье рабочего-слесаря и учительницы. В семье было двое сыновей: старший Левушка и младший Митенька, названные так в честь героев произведений Л. Толстого, большой поклонницей которого была мать, Ольга Ивановна.
Она занималась духовным воспитанием детей, прививая им любовь к литературе, музыке. Отец, Василий Николаевич, старался закалить их физически, занимаясь с ними спортом, но он всячески поощрял стремление мальчиков и к знаниям. Великая Отечественная война 1941-1945 гг.
Дмитрий окончил восьмой класс средней школы, отец, не подлежавший мобилизации по возрасту, ушел добровольцем в народное ополчение и в феврале 1942 года пропал без вести. Старший брат Лева, став курсантом Ленинградского воинского подразделения, в декабре 1941 года был ранен и умер. Но горе, обрушившееся на семью Волковых, не сломило их.
Участвовал в боях на Карельском и на 1-м Дальневосточном фронтах в качестве связиста, радиста, артиллерийского разведчика. За проявленное в боях мужество награжден несколькими медалями, в 1965 г. После войны Дмитрий Волков возвращается в родной Ленинград с твердым намерением учиться.
В течение года он экстерном сдает экзамены за 9-й и 10-й классы и в 1947 году поступает на физический факультет Ленинградского университета. В процессе учебы профессорско-преподавательский коллектив не только дал ему знания и сформировал интерес к профессии, но и привил глубокое уважение и любовь к науке. И эту любовь Волков пронес через всю жизнь.
В Харьковском университете ему тоже повезло. Здесь читали лекции известные всему научному миру физики, академики А. Вальтер, К.
Синельников, А. Ахиезер — ведущие ученые УФТИ. В 1956 году по окончании аспирантуры Д.
Здесь он сложился и вырос как ученый, защитив кандидатскую 1958 г. Научные интересы Дмитрия Васильевича охватывают широкий круг исследований в теоретической физике. Довольно рано сформировался его научный стиль, отличающийся глубоким и оригинальным подходом к исследуемым вопросам.
Уже в первых его работах проявилась нестандартность подхода к фундаментальным проблемам квантовой теории поля. Международное признание ученый получил сразу — открытая им парастатистика, названная впоследствии статистикой Грина-Волкова и обобщая известные статистики Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака, сыграла важную роль в развитии представлений о кварковой структуре адронов. В 1960 году Д.
Волков, молодой еще физик, в составе советской делегации впервые принимал участие в конгрессе по физике элементарных частиц в США. Обмениваясь в аэропорту с американскими коллегами новостями науки, глава делегации М. Марков спросил: «Что у вас нового?
Ли ответил: «Это у вас новости! Результативными были и последующие годы. Мировую известность Волкову принесло открытие нового типа симметрии — суперсимметрии — и построение на ее основе теории супергравитации, обобщающей теорию тяготения Эйнштейна.
Концепция суперсимметрии определила основное направление развития физики элементарных частиц на десятилетия. Волковское открытие в области суперсимметрии цитировалось как основополагающее в трудах многих крупных международных конференций. В 1962 г.
Волков открыл совместно с В. Грибовым новое явление, получившее название «заговор полюсов», что стимулировало целый поток теоретических и экспериментальных работ в области физики высоких энергий. Дмитрий Васильевич был не только талантливым ученым, но и удивительно трудолюбивым человеком, он работал много и упорно, предъявляя высокие требования к качеству выполняемой работы, ее логическому научному завершению.
По воспоминаниям коллег, он был открытым человеком. Обсуждать с Волковым ту или иную проблему было большим удовольствием. Он быстро вникал в суть дела и высказывал, как правило, оригинальные соображения и идеи.
Ему был дан редкий дар видеть важный физический результат за сложными математическими выкладками, используя в расчетах современную математику. Дмитрий Васильевич не останавливался в поиске, для исследований он выбирал наиболее сложные научные проблемы, выдвигая новые идеи и фундаментальные подходы. Он постоянно следил за достижениями в различных областях физики и математики, старался расширять круг своих интересов.
Этому способствовали научные командировки в международные центры Европы и Америки и общение с выдающимися учеными. Ездил он туда регулярно — с 1958 г. Каждая поездка завершалась подробным отчетом, где давался глубокий анализ не только основных теоретических исследований, проводимых в ЦЕРНе, но и организации научной работы; отмечались ее преимущества, давались конкретные рекомендации.
В 1994 г. Волков был приглашен на Международную конференцию авторов оригинальных идей и открытий XX века в физике элементарных частиц в Эриче Италия , где выступил с докладом «Supergravity before 1976».
Его существование подтвердило предполагаемое открытие Хиггса, с которым, по словам физиков, он неразрывно связан. Суперсимметрия — это сопряженная симметрия пространства и времени. Ее можно интегрировать с теорией относительности Эйнштейна для предоставления полной информации о законах природы. Теория струн гласит, что вместо частиц, Вселенная состоит из микроскопических струн.
Вы точно человек?
Последним в этой серии достижений стало открытие бозона Хиггса в 2012 году и последовавшее за ним присуждение Нобелевской премии по физике авторам хиггсовского механизма. Все эти годы Стандартная модель выдерживала тысячи экспериментальных проверок. Всевозможные тонкие и замысловатые эффекты, которые она предсказывала и которые удавалось сосчитать теоретически, неизменно подтверждались. С другой же стороны, физикам давно достоверно известно, что Стандартная модель не может быть окончательной теорией устройства микромира. Стандартная модель не способна объяснить наличие темной материи и доминирование вещества над антивеществом в нашей Вселенной. Она никак не объясняет разнообразные закономерности, которые обнаружены в свойствах кварков и особенно нейтрино.
Наконец, многие численные величины в ней выглядят противоестественными, и сама Стандартная модель никакого объяснения им не дает. Физики уверены, что Стандартная модель — это лишь осколок какой-то другой, всеобъемлющей и более фундаментальной, теории устройства нашего мира, которую ученые условно называют физика за пределами Стандартной модели или «Новая физика». Что это за теория — пока неизвестно, но именно с ней связываются большие надежды на поиск ответов на неудобные для Стандартной модели вопросы. Чтобы не создавалось неправильного впечатления, надо обязательно оговориться, что проблема — не в том, чтобы придумать хоть какую-то теорию. Таких теорий придуманы, наверное, сотни.
Проблема в том, чтобы теория давала новые, нестандартные предсказания и чтобы эти предсказания подтверждались на опыте. А вот с этим пока сложности: ни один прямой эксперимент с элементарными частицами не обнаружил никакого достоверного отклонения от Стандартной модели. Так что Большой адронный коллайдер он же LHC — это не просто установка, которая сталкивает частицы и что-то там измеряет. Это тот инструмент, который должен помочь нам дотянуться до Новой физики, до нового пласта реальности, лежащего под Стандартной моделью. Первый маленький шаг в этом направлении сделан: открыт хиггсовский бозон и началось его изучение.
Но это был подготовительный шаг, а настоящая задача коллайдера — достоверное обнаружение хоть какого-то отклонения от Стандартной модели — пока не решена. Как ищут проявления суперсимметрии Рис. Типичный подход к поиску суперсимметрии на Большом адронном коллайдере. Частицы-суперпартнеры рождаются в парах, но распадаются поодиночке, и после каскада распадов от них остаются стабильные и неуловимые легчайшие суперсимметричные частицы, например нейтралино. Среди всех моделей особняком стоят теории, опирающиеся на суперсимметрию.
Это слово обозначает глубокую, математически самосогласованную идею о том, что наш мир обладает симметрией нового типа, которая связывает между собой, говоря совсем условно, частицы материи и действующие между ними силы. Подробнее про суперсимметрию на доступном языке читайте и слушайте в материалах Дмитрия Казакова. Идея суперсимметрии проверяема в эксперименте, по крайней мере в принципе. Суперсимметричные теории предсказывают множество новых частиц, суперпартнеров обычных частиц. У кварков, глюонов, лептонов, гравитонов и всех других частиц есть суперпартнеры: скварки, глюино, слептоны, гравитино и т.
Проблема только в том, что эти новые частицы — тяжелые, и никто не может заранее сказать, насколько.
Классический пример: сядьте на крутящееся офисное кресло и возьмите в руки две гантели или книжки потяжелее. Раскрутитесь, вытяните руки в стороны, а затем, наоборот, согните их.
Заметили разницу? Скорость вашего движения изменится — это происходит именно потому, что вы изменяете собственный момент импульса, распределяя массу по-другому. Когда речь идет об элементарных частицах, появляется величина, формально схожая с моментом импульса.
Она называется спином, и характеризует некоторый внутренний, присущий каждой частице момент импульса. Но эта величина, в отличие от стандартного определения, не связана с распределением масс или скоростью вращения, а является чисто квантовым эффектом. Спин может принимать любые положительные значения с шагом 0.
Итак, мы приходим к главному различию между фермионами и бозонами: первые обладают полуцелым спином 0. Не садись со мной Самое важное отличие квантовой механики от классической состоит в том, что все величины в квантовой механике могут изменяться только скачкообразно, на очень маленькую величину. Физики говорят, что они «квантуются», подразумевая под «квантом» какое-то конкретное число.
Величина этого «скачка» очень мала, и определяется так называемой постоянной Планка, примерно равной 10-34. В нашем обычном мире мы просто не замечаем столь малого изменения, например, температуры. Но в микроскопическом мире это становится принципиально важно.
Все характеристики частиц в квантовой механике измеряются в количестве постоянных Планка, и для простоты обозначаются числом. Например, спин 1 означает «одна постоянная Планка». Договорившись, в каком порядке обозначать физические величины, состояние любой частицы можно описать набором квантовых чисел — это будет ее квантовое состояние.
Именно в значении спина скрыта фундаментальная разница между фермионами и бозонами.
В отличие от нейтральных фотонов — переносчиков электромагнитного взаимодействия — глюоны несут цветовой заряд и поэтому непосредственно взаимодействуют между собой. Барионы от греч. Барионы участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях — сильном, слабом, электромагнитном и гравитационном. Барионный заряд — внутренняя характеристика частиц, равная 1 у барионов, —1 у антибарионов и 0 у всех остальных частиц. Читайте в любое время о — они всегда рождаются парами.
Эти сравнительно долгоживущие частицы успевают пролететь почти 0,5 мм, прежде чем распасться на более лёгкие частицы. Очевидно, что эти реакции получаются одна из другой посредством СР-преобразования. Поэтому СР-симметрия требует того, чтобы число тех и других было одинаково. Но оказалось, что первый распад происходит примерно на 10 процентов чаще. Источник 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.
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. Читайте также: Состояние сингулярности как начала вселенной 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. Самые легкие суперсимметричные частицы, предсказываемые в рамках теории, могут быть неуловимыми частицами темной материи, на которые охотятся физики десятилетиями.
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.
🔸 Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной🔸
Теория суперсимметрии выдвигалась многими физиками-теоретиками в качестве средства объяснения некоторых несоответствий в Стандартной модели Вселенной. Напр., в теории С. происходит сокращение бесконечностей, которые присущи всем релятивистским теориям и представляют проблему, особенно в квантовой гравитации. Теории, включающие суперсимметрию, дают возможность решить несколько проблем, присущих Стандартной модели.
Суперсимметрия и суперкоординаты
Конкурентная теория петлевой квантовой гравитации в качестве отправной точки использует квантование пространства и времени. Некоторые считают, что в конечном итоге она окажется лишь другим подходом ко все той же базовой гипотезе. Квантование силы тяжести Главным достижением данной гипотезы, если она подтвердится, будет квантовая теория гравитации. Текущее описание силы тяжести в ОТО не согласуется с квантовой физикой. Последняя, накладывая ограничения на поведение небольших частиц, при попытке исследовать Вселенную в крайне малых масштабах ведет к возникновению противоречий. Унификация сил В настоящее время физикам известны четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнитная, слабые и сильные ядерные взаимодействия. Из теории струн следует, что все они когда-то являлись проявлениями одной. Согласно этой гипотезе, так как ранняя вселенная остыла после большого взрыва, это единое взаимодействие стало распадаться на разные, действующие сегодня.
Эксперименты с высокими энергиями когда-нибудь позволят нам обнаружить объединение этих сил, хотя такие опыты находятся далеко за пределами текущего развития технологии. Пять вариантов После суперструнной революции 1984 г. Физики, перебирая версии теории струн в надежде найти универсальную истинную формулу, создали 5 разных самодостаточных варианта. Какие-то их свойства отражали физическую реальность мира, другие не соответствовали действительности. М-теория На конференции в 1995 году физик Эдвард Виттен предложил смелое решение проблемы пяти гипотез. Основываясь на недавно обнаруженой дуальности, все они стали частными случаями единой всеобъемлющей концепции, названной Виттеном М-теория суперструн. Одним из ключевых ее понятий стали браны сокращение от мембраны , фундаментальные объекты, обладающие более чем 1 измерением.
Хотя автор не предложил полную версию, которой нет до сих пор, М-теория суперструн кратко состоит из таких черт: 11-мерность 10 пространственных плюс 1 временное измерение ; двойственности, которые приводят к пяти теориям, объясняющих ту же физическую реальность; браны — струны, с более чем 1 измерением. Следствия В результате вместо одного возникло 10500 решений. Для некоторых физиков это стало причиной кризиса, другие же приняли антропный принцип, объясняющий свойства вселенной нашим присутствием в ней. Остается ожидать, когда теоретики найдут другой способ ориентирования в теории суперструн. Некоторые интерпретации говорят о том, что наш мир не единственный. Наиболее радикальные версии позволяют существование бесконечного числа вселенных, некоторые из которых содержат точные копии нашей. Теория Эйнштейна предсказывает существование свернутого пространства, которое называют червоточиной или мостом Эйнштейна-Розена.
В этом случае два отдаленных участка связаны коротким проходом. Теория суперструн позволяет не только это, но и соединение отдаленных точек параллельных миров. Возможен даже переход между вселенными с разными законами физики. Однако вероятен вариант, когда квантовая теория гравитации сделает их существование невозможным. Многие физики считают, что голографический принцип, когда вся информация, содержащаяся в объеме пространства, соответствует информации, записанной на его поверхности, позволит глубже понять концепцию энергетических нитей. Некоторые полагают, что теория суперструн позволяет множественность измерений времени, следствием чего может быть путешествие через них.
Первый маленький шаг в этом направлении сделан: открыт хиггсовский бозон и началось его изучение. Но это был подготовительный шаг, а настоящая задача коллайдера — достоверное обнаружение хоть какого-то отклонения от Стандартной модели — пока не решена. Как ищут проявления суперсимметрии Рис. Типичный подход к поиску суперсимметрии на Большом адронном коллайдере.
Частицы-суперпартнеры рождаются в парах, но распадаются поодиночке, и после каскада распадов от них остаются стабильные и неуловимые легчайшие суперсимметричные частицы, например нейтралино. Среди всех моделей особняком стоят теории, опирающиеся на суперсимметрию. Это слово обозначает глубокую, математически самосогласованную идею о том, что наш мир обладает симметрией нового типа, которая связывает между собой, говоря совсем условно, частицы материи и действующие между ними силы. Подробнее про суперсимметрию на доступном языке читайте и слушайте в материалах Дмитрия Казакова. Идея суперсимметрии проверяема в эксперименте, по крайней мере в принципе. Суперсимметричные теории предсказывают множество новых частиц, суперпартнеров обычных частиц. У кварков, глюонов, лептонов, гравитонов и всех других частиц есть суперпартнеры: скварки, глюино, слептоны, гравитино и т. Проблема только в том, что эти новые частицы — тяжелые, и никто не может заранее сказать, насколько. Когда строился Большой адронный коллайдер, среди физиков царило воодушевление. Многие из них считали, что массы суперчастиц находятся в районе 1 ТэВ или даже меньше, и такие частицы начнут массово рождаться на LHC.
Увы, первый сеанс работы коллайдера охладил этот пыл : многочисленные поиски прямых или косвенных проявлений суперсимметрии по-прежнему дают отрицательные результаты см. Но прежде чем рассказывать о них самих, стоит кратко обрисовать, как вообще ищут проявления суперсимметрии на коллайдере. Сложность тут в том, что у суперсимметрии нет какого-то одного конкретного, железобетонного предсказания, проверяемого прямо сейчас. Имеется большое количество вариантов суперсимметричных теорий, а в них есть неизвестные численные параметры. В результате предсказания для коллайдера могут получиться самые разнообразные — и физики стараются, по возможности, охватить их все. Среди них выделяется главное направление поисков см. Считается, что вначале в столкновении протонов рождаются сильновзаимодействующие суперчастицы — скварки или глюино. Они тяжелые и распадаются на другие, те — распадаются дальше, и т. Так идет до тех пор, пока не появится легчайшая суперсимметричная частица в зависимости от варианта теории, это может быть нейтралино, гравитино или другие суперчастицы. Главное, что она уже ни на что не распадается, а просто улетает прочь, не будучи даже пойманной детектором.
Эта частица уносит большой поперечный импульс, который — в силу неуловимости частицы — не отслеживается детектором. Детектор регистрирует все обычные частицы, измеряет их импульсы и видит, что они не складываются в нуль, то есть заметная часть импульса «теряется». Такой дисбаланс в поперечном импульсе указывает на то, что в столкновении родилась какая-то неуловимая частица высокой энергии.
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. В конце концов, все незарегистрированное будет казаться пропавшим! Если что?
Скварк может распадаться на кварк и легчайшую суперсимметричную частицу Разумеется, скварк никогда не возникает сам по себе, а только вместе с другим объектом, также участвующим в сильном взаимодействии к примеру, с другим скварком или антискварком , поэтому экспериментаторы зарегистрируют и измерят по крайней мере две струи пример см. Если при столкновении протонов возникли два скварка, при распаде они породят два кварка, которых зарегистрируют детекторы. Часть энергии и импульса уйдут из системы с двумя LSP, и само их отсутствие будет свидетельствовать о возникновении новых частиц. Как ни странно, долгие задержки с пуском БАКа сыграли и положительную роль: они дали экспериментаторам время как следует разобраться в своих детекторах.
Их удалось заранее откалибровать, так что с первого дня работы коллайдера измерения будут чрезвычайно точными, а данные об упущенной энергии — надежными. Теоретики, с другой стороны, получили время обдумать альтернативные стратегии поиска для суперсимметричной и других моделей. К примеру, мне вместе с Дейвом Таккер—Смитом, ученым из Колледжа Уильямса, удалось найти отличный от вышеописанного — но родственный — способ поиска скварка. Наш метод опирается на измерение только импульса и энергии получающихся кварков; в нем не нужно точно измерять недостающий импульс а это очень непросто и не дает надежных результатов.
Метод вызвал среди ученых БАКа заметное оживление; экспериментаторы CMS сразу же приняли его и не только показали, что метод работает, но и в течение всего нескольких месяцев обобщили и улучшили его. Теперь это часть стандартной стратегии поиска суперсимметрии; метод, предложенный нами так недавно, был использован в первом же сеансе поиска суперсимметрии на CMS. Два скварка, одновременно возникшие в БАКе, распадутся на кварк и LSP каждый и оставят после себя сигнатуру в виде дефицита энергии Если суперсимметрия будет обнаружена, экспериментаторы на этом не остановятся. Они попытаются определить весь спектр суперсимметричных частиц, а теоретики будут работать над интерпретацией полученных результатов.
Под идеей суперсимметрии и частиц, способных вызывать ее спонтанное нарушение, скрывается интереснейшая теория. Мы знаем, какие суперсимметричные частицы должны существовать, если суперсимметрия существенна для проблемы иерархии, но мы пока не знаем ни их точных масс, ни того, как эти массы возникают. То, что увидит БАК, очень сильно зависит от спектра масс суперсимметричных частиц, который, вероятно, отличается от спектра масс обычных частиц. Мы знаем, что частицы могут распадаться только на более легкие.
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.
СУПЕРСИММЕТРИЯ
Так что суперсимметрия должна нарушаться в том смысле, что отношения, предсказанные теорией суперсимметрии, не могут быть строгими. Одна из задач, которую ученые пытаются решить с помощью БАК, – это получение экспериментального подтверждения теории Суперсимметрии. С ней должна уйти на покой теория расширения пространства, из которой происходят теории тёмной материи и энергии.