Теория суперсимметрии обобщает часто встречающееся в природе явление симметрии на уровень элементарных частиц и утверждает, что существует некоторое преобразование. Суперсимметрия предполагает удвоение (как минимум) числа известных элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров. Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить вещество во взаимодействие, и суперсимметрии выдвигалась многими. Суперсимметрия предполагает удвоение (как минимум) числа известных элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров.
Откройте свой Мир!
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.
Частицы темной материи взаимодействуют только гравитационно. Поэтому они группируются вокруг галактик правильнее было бы сказать, что обычная материя группируется вокруг сгустков темной материи и искажают распределение масс в галактике. В 1964 году физики Арно Пензиас и Роберт Вилсон, сотрудники Веll Laboratories, занимавшиеся обслуживанием радиоантенны слежения за американским космическим спутником «Эхо» в Холмделе Нью-Джерси , решили проверить некоторые свои научные гипотезы о радиоизлучении тех или иных объектов Вселенной. Антенна была самым чувствительным на тот момент детектором СВЧ-волн, а потому сначала ее надо было правильно настроить, чтобы исключить возможные помехи.
Реликтовое излучение — равновесное тепловое излучение, заполняющее Вселенную. Это излучение отделилось от вещества на ранних этапах расширения Вселенной, когда электроны объединились с протонами и образовали атомы водорода рекомбинация. Тогда Вселенная была в 1000 раз моложе, чем сейчас. Нынешняя температура реликтового излучения составляет примерно 3 K.
В Стандартной модели нет подходящих частиц для объяснения темной материи. В то же время в некоторых суперсимметричных моделях есть прекрасный кандидат на роль холодной темной материи, а именно нейтралино — легчайшая суперсимметричная частица. Она стабильна, так что реликтовые нейтралино могли бы сохраниться во Вселенной со времен Большого взрыва. Что касается темной энергии, ее природа в рамках современных физических теорий совершенно непонятна.
Это настоящий вызов физикам двадцать первого века. Темную энергию можно интерпретировать как собственную энергию вакуума, однако при этом возникают огромные несоответствия между теоретическими оценками и наблюдаемым значением плотности темной энергии. Существование темной энергии приводит к наблюдаемым следствиям — ускоренному расширению Вселенной в настоящее время. МССМ Для построения суперсимметричных моделей был развит математический аппарат, останавливаться на котором здесь нет никакой возможности.
Однако, несмотря на всю сложность математического аппарата, суперсимметричные теории обладают рядом простых особенностей. К одной из таких особенностей относится удвоение числа частиц. В Стандартной модели нет частиц, которые могли бы быть суперпартнерами друг друга. Следовательно, в суперсимметричных расширениях Стандартной модели каждая частица приобретает своего суперпартнера — новую частицу.
Минимальная суперсимметричная Стандартная модель МССМ требует для построения меньше всего новых частиц. Другой важной особенностью суперсимметричных моделей является нарушение суперсимметрии. Если бы такого нарушения не было, суперпартнеры имели такие же массы, что и обычные частицы. Однако новые частицы с массами известных частиц Стандартной модели никогда не наблюдались.
Также без нарушения суперсимметрии не работал бы хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии. Чтобы применять суперсимметричные модели в физике высоких энергий, необходимо потребовать нарушение суперсимметрии. При этом суперпартнеры могут приобрести большие массы, чем можно объяснить их ненаблюдение в настоящее время. Конкретный механизм нарушения суперсимметрии сейчас неизвестен.
Это существенно снижает предсказательную силу модели, так как в ней появляется большое число свободных параметров, подбирая которые, можно получать произвольные следствия. Некоторые соображения, например, гипотеза великого объединения, позволяют ограничить число свободных параметров. Исследование ограничений на параметры суперсимметричных моделей является одним из важных направлений в исследовании физики за пределами Стандартной модели. Экспериментальный статус суперсимметричных моделей Суперсимметрия является одним из основных кандидатов на роль новой теории в физике элементарных частиц за рамками Стандартной модели.
Поиски различных проявлений суперсимметрии в природе были одной из главных задач многочисленных экспериментов на коллайдерах LEP — большой электрон-позитронный коллайдер и Тэватрон и в неускорительных экспериментах на протяжении нескольких десятилетий. К сожалению, результат пока отрицательный.
Если учесть, что и на других детекторах LHC никакого следа суперсимметричных частиц до сих пор не встречалось, хотя по теории вероятностей это уже должно было произойти, это ставит крест на теории суперсимметрии в его сегодняшнем виде. Один из участников команды LHC профессор Джордан Нэш из Имперского Лондонского колледжа, комментируя результаты "Красотки LHC", заявил: "Это означает, что либо мы не полностью понимаем происходящее, либо суперчастицы неамножко другие, чем мы о них думаем, либо их нет вообще". Еще не все потеряно, есть усложненные теории суперсимметрии, по которым суперсимметричных частиц так просто не обнаружишь, но молодые физики уже начинают говорить о том, что пора придумывать что-нибудь еще, такое же красивое, но более реалистичное. Пора, как они говорят "менять старую шляпу".
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. Суперсимметрия предсказывает, что у этой частицы будет нейтральный заряд и она едва ли будет взаимодействовать с любой другой частицей. Примерно такое описание физики ждут от частиц темной материи. Темная материя невидима, поэтому частицы, из которых она состоит, должны быть нейтральными, иначе будут рассеивать свет и станут видимыми. Эти частицы также ни с чем не взаимодействуют, иначе мы бы их уже обнаружили. Суперсимметрия указала бы в направлении универсальной теории в физике Главная цель физики — постоянно конденсировать наше понимание вселенной все более простыми терминами. К примеру, теперь мы понимаем, что гравитация, которая привела к падению яблока на голову Ньютона, — это та же гравитация, которая управляет планетами и звездами. И теперь мы знаем, что законы электричества и законы магнетизма — просто два закона, которые определяют единую фундаментальную силу электромагнетизма. Если суперсимметричные частицы включены в Стандартную модель, они бы тесно связали три из четырех фундаментальных сил, которые описываются Стандартной моделью: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие. Суперсимметрия будет означать, что все эти три силы будут обладать одной и той же силой на очень высоких энергетических уровнях.
Бесчисленное множество моделей Главная проблема с поиском суперсимметрии — головокружительное количество вариантов суперсимметричных моделей, а значит, и огромный набор возможностей того, как именно они будут проявляться в эксперименте. Пока суперсимметрия остается точной симметрией, суперсимметричный мир элегантен и относительно прост. Если дело так и обстоит, то только при исключительно высоких энергиях. Но в нашем низкоэнергетическом мире — даже в момент протонных столкновений на LHC! В результате теория предсказывает большое число суперчастиц частиц-суперпартнеров обычных частиц , массы и взаимодействие которых могут быть почти произвольными. Теория не говорит, какие из частиц будут легче, какие тяжелее, сколько времени какие из них будут жить, какие у них будут наиболее вероятные процессы рождения и распада. Подчеркнем, что даже перечисление всех сколько-нибудь различающихся вариантов суперсимметричных теорий является совершенно неподъемной задачей. Например, в самой простой реализации идеи суперсимметрии — минимальном суперсимметричном расширении Стандартной модели MSSM — имеется 105 свободных параметров см. Даже если попытаться «просканировать» весь набор их возможных комбинаций в самом грубом приближении например, предположив, что каждый параметр может принимать либо нулевое, либо какое-то одно ненулевое значение , мы получим 2105 комбинаций. Ясно, что ни о каком перечислении всех моделей не может быть и речи. К счастью, подавляющая часть всех таких вариантов сильно расходится с опытными данными. Но задача выбрать все те, которые согласуются, не проще. Выходом будет попытка сформулировать и тщательно проанализировать нескольких конкретных и очень ограниченных вариантов суперсимметричных теорий. Эти модели должны, с одной стороны, удерживать основные черты суперсимметрии и при этом не входить в явное противоречие с опытом, а с другой стороны, должны предоставить свободу лишь очень малому количеству параметров. Только в этом случае появляется разумный шанс просканировать всё пространство параметров, разбить его на области, различающиеся по физическим последствиям, провести подробные вычисления и сделать предсказания для эксперимента. Они характеризуются предположением об исключительной универсальности всех скалярных частиц и всех фермионов частиц до момента нарушения суперсимметрии и содержат всего 5 свободных параметров в довесок к параметрам Стандартной модели. Именно в рамках этих моделей делалось множество предсказаний для LHC, на основании которых затем разрабатывалась стратегия экспериментального поиска суперсимметрии.
Адронный коллайдер подтвердил теорию суперсимметрии
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. Подробнее о приложениях суперсимметрии в физике конденсированного состояния см.
Ефетов 1997 [15]. Экспериментальная проверка[ править править код ] В 2011 году на Большом адронном коллайдере БАК 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 профессор Ливерпульского университета Тара Ширс [en] , эксперименты не подтвердили основные положения теории [16] [17]. При этом Тара Шиарс уточнила, что не нашла подтверждения и упрощённая версия теории суперсимметрии, однако полученные результаты не опровергают более сложный вариант теории.
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. 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.
Мы пока не знаем, верно ли это довольно изящное объяснение стабильности иерархии и компенсации поправок к массе хиггса. Но если суперсимметрия действительно решает проблему иерархии, то мы многое можем сказать о том, каких результатов следует ожидать на БАКе. В этом случае мы знаем, какие именно новые частицы должны существовать, потому что у каждой известной частицы должен быть суперсимметричный партнер. Мало того, мы можем оценить массы новых частиц. Разумеется, если бы суперсимметрия в природе соблюдалась в точности, мы бы сразу знали и массы всех суперпартнеров.
Они были бы попросту идентичны массам соответствующих известных частиц. Однако ни одну частицу—суперпартнер до сих пор обнаружить не удалось. Это свидетельствует о том, что суперсимметрия, даже если она реально существует в природе, не может быть строгой. Так что суперсимметрия должна нарушаться в том смысле, что отношения, предсказанные теорией суперсимметрии, не могут быть строгими. 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?
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. Vallery, P. Zitzewitz, and D.
Resolution of the Orthopositronium-Lifetime Puzzle. Котов, Б.
Концепция развивается
- СУПЕРСИММЕТРИЯ
- Суперсимметрия для пешеходов
- «В настоящее время мы не можем описать Вселенную»
- Физики в Копенгагене подвели итоги 15-летнего пари о теории суперсимметрии
- Теория суперсимметрии не получила подтверждения – Естествознание, пользователь | My World Groups
Большой адронный коллайдер нанес еще один удар теории суперсимметрии.
К примеру, из частиц - суперпартнеров могла бы получиться темная материя", - говорит Уильям сатклифф, доктор философии имперского колледжа в Лондоне. Сатклифф вошел в крупный международный коллектив ученых, которые наблюдали за поведением кварков, субатомных частиц, составляющих протоны и нейтроны. Есть шесть разных типов кварков: верхний, нижний, очарованный, странный, прелестный и истинный. Ученые особенно наблюдали за прелестным кварком, который тяжелее и способен менять форму. Прелестный кварк обычно переходит в очарованный кварк, но в редких случаях может превращаться и в верхний кварк. Это могло стать расширением для стандартной модели, - объясняет сатклифф.
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.
Полноценная теория гравитации должна быть рабочей в любых масштабах и принимать во внимание квантовую природу фундаментальных частиц. Это позволило бы уместить гравитацию в объединенной структуре с тремя другими фундаментальными взаимодействиями, тем самым создав пресловутую теорию всего. Конечно, с тех пор, как умер Альберт Эйнштейн в 1955 году, был проделан значительный прогресс в этой области. Наш лучший кандидат сегодня носит имя M-теории. Революция струн Чтобы понять основную идею М-теории, нужно вернуться в 1970-е годы, когда ученые поняли, что вместо того, чтобы описывать вселенную, основываясь на точечных частицах, их лучше было бы описывать в виде осциллирующих струн энергетических трубочек. Новый способ осмысления фундаментальных составляющих природы привел к решению многих теоретических проблем. Прежде всего, отдельное колебание струны можно интерпретировать как гравитон.
Такие эксперименты EDM также намного более масштабируемы, чем обычные ускорители частиц, и предлагают практическую альтернативу обнаружению физики, выходящей за рамки стандартной модели, поскольку эксперименты на ускорителях становятся все более дорогостоящими и сложными в обслуживании. Текущий лучший предел для EDM электрона уже достиг чувствительности, чтобы исключить так называемые «наивные» версии суперсимметричных расширений Стандартной модели.
Текущий статус Отрицательные результаты экспериментов разочаровали многих физиков, которые считали суперсимметричные расширения Стандартной модели и других основанных на ней теорий наиболее многообещающими теориями для «новой» физики, выходящей за рамки Стандартной модели, и надеялись на признаки неожиданные результаты экспериментов. В частности, результат LHC кажется проблематичным для минимальной суперсимметричной стандартной модели, поскольку значение 125 ГэВ относительно велико для модели и может быть достигнуто только с помощью больших радиационных петлевых поправок от верхних скварков , которые многие теоретики считают «неестественными». В ответ на так называемый «кризис естественности» в минимальной суперсимметричной стандартной модели некоторые исследователи отказались от естественности и изначальной мотивации решать проблему иерархии естественным образом с помощью суперсимметрии, в то время как другие исследователи перешли к другим суперсимметричным моделям, таким как суперсимметрия расщепления. Третьи перешли к теории струн в результате кризиса естественности. Бывший активный сторонник Михаил Шифман дошел до того, что призвал теоретическое сообщество искать новые идеи и признать, что суперсимметрия - неудавшаяся теория в физике элементарных частиц. Однако некоторые исследователи предположили, что этот кризис «естественности» был преждевременным, потому что различные расчеты были слишком оптимистичными относительно пределов масс, которые позволили бы суперсимметричное расширение Стандартной модели в качестве решения. Общая суперсимметрия Суперсимметрия появляется во многих связанных контекстах теоретической физики. Возможно иметь несколько суперсимметрий, а также суперсимметричные дополнительные измерения. Расширенная суперсимметрия Может существовать более одного вида преобразования суперсимметрии.
Теории с более чем одним преобразованием суперсимметрии известны как расширенные суперсимметричные теории. Чем больше суперсимметрии в теории, тем более ограничены содержание поля и взаимодействия. Обычно количество копий суперсимметрии является степенью 2 1, 2, 4, 8... В четырех измерениях спинор имеет четыре степени свободы, и поэтому минимальное количество генераторов суперсимметрии составляет четыре в четырех измерениях, а наличие восьми копий суперсимметрии означает, что существует 32 генератора суперсимметрии. Максимальное возможное количество генераторов суперсимметрии - 32. Теории с более чем 32 генераторами суперсимметрии автоматически имеют безмассовые поля со спином больше 2.
Основная статья: Суперсимметричная квантовая механика Суперсимметричная квантовая механика отличается от квантовой механики тем, что включает супералгебру SUSY, в противоположность квантовой теории поля. Суперсимметричная квантовая механика часто становится актуальной при изучении динамики суперсимметричных солитонов, и из-за упрощенного характера полей, которые зависят от времени а не пространства-времени , в этом подходе достигнут большой прогресс, и эта теория теперь изучается самостоятельно. Квантовая механика SUSY рассматривает пары гамильтонианов, которые находятся в определённом математическом отношении, которые называются гамильтонианами-партнерами. А соответствующие члены потенциальной энергии, входящие в гамильтонианы, тогда известны как потенциалы-партнеры. 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.
С теорией суперсимметрии придётся расстаться
Сходящиеся линии В последний раз теория всего была у человечества 2500 лет назад. Греческий философ Эмпедокл предположил, что мир соткан из четырех элементов: земли, воды, воздуха и огня. Аристотель позже добавил пятый, божественный элемент — эфир. Никогда больше объяснение всего не было таким простым. В философии Аристотеля каждый элемент характеризуется двумя свойствами: огонь сухой и теплый, вода влажная и холодная, земля сухая и холодная, а воздух влажный и теплый.
Изменения происходят, поскольку 1 элементы стремятся к своим «естественным местам» — воздух поднимается вверх, камни падают вниз и так далее — и 2 могут менять на противоположное по одному своему свойству за раз, если тому нет препятствий: так, например, сухой и теплый огонь может превратиться в сухую и холодную землю, а влажная и холодная вода — во влажный и теплый воздух. Утверждение, что камни падают вниз, ибо такова их естественная склонность, не очень-то много объясняет, но то была, несомненно, простая теория, которую можно было проиллюстрировать удовлетворительно симметричной диаграммой рис. Впрочем, даже в IV веке до нашей эры стало очевидно, что теория слишком уж проста. Алхимики начали выделять все новые и новые вещества, и теория со всего лишь четырьмя элементами не могла объяснить такого разнообразия.
Однако только в XVIII веке химики поняли, что все вещества — комбинации относительно небольшого числа «элементов» в то время думали, что их меньше сотни , которые дальше уже разложить нельзя. 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.
Он увлекался индийской философией, любил классическую литературу, занимался спортом, прекрасно плавал, был хорошим лыжником. Он любил семью, своих друзей, он горячо любил жизнь! В поселке Пятихатки есть улицы и проспекты, названные в честь известных ученых. В физике симметрии играют двоякую роль.
Во-первых, каждому типу симметрии физической системы соответствует сохраняющаяся величина. Во-вторых, от новых физических теорий можно требовать выполнения различных симметрий. Чем больше таких требований — тем меньше произвол в построении теории. Примером физической теории, обладающей симметрией, является обычная квантовая механика, оперирующая волновыми функциями.
Волновая функция частицы — это комплексная функция, например, пространственных координат грубо говоря, комплексное число в каждой точке. Ее можно рассчитать из уравнения Шрёдингера. Физический смысл имеет не сама волновая функция, а квадрат ее модуля, который показывает вероятность нахождения частицы в каком-либо месте. Если все волновые функции умножить на одно и то же комплексное число с модулем 1, никакие предсказания теории не изменятся.
Действительно, модуль произведения комплексных чисел равен произведению модулей, и от такого домножения никакие вероятности не изменяются. Это пример так называемой глобальной симметрии глобальной — потому, что волновая функция умножалась в разных точках на одно и то же число. Суть этой симметрии заключается в том, что теория не изменяется относительно некоторого класса преобразований в нашем случае эти преобразования — умножение на произвольное комплексное число с модулем, равным 1. Квантовая электродинамика обладает симметрией относительно преобразований, называемых калибровочными.
Эти преобразования заключаются в домножении поля электронов на комплексное число с модулем 1 правда, чтобы теория не изменялась, одновременно с преобразованием поля электронов нужно выполнить и некоторые другие преобразования электромагнитного поля. В отличие от рассмотренного выше случая квантовой механики, это число уже может быть в каждой точке различным локальная симметрия. Интересно отметить следующий момент. Как было сказано выше, с каждой симметрией связана сохраняющаяся величина.
В случае калибровочных преобразований квантовой электродинамики такой сохраняющейся величиной является обычный электрический заряд. В пятидесятых годах Янг и Миллс построили модель, уравнения которой не менялись под действием более сложных локальных калибровочных преобразований. Сначала интерес был исключительно математическим. Однако потом на основе теории Янга — Миллса были созданы важнейшие теории взаимодействия элементарных частиц — теория электрослабых взаимодействий и квантовая хромодинамика.
Эти теории, обладающие калибровочной симметрией, получили экспериментальное подтверждение. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий В шестидесятых годах удалось объединить электромагнетизм и слабые взаимодействия. Салам, Глэшоу и Вайнберг построили теорию электрослабых взаимодействий. В 1979 году им была присуждена Нобелевская премия.
Новая теория предсказала существование новых частиц, так называемых W- и Z-бозонов. 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.
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. Конечно, одного лишь дисбаланса поперечного импульса мало для открытия Новой физики. В Стандартной модели тоже есть частицы, не регистрируемые детектором, — нейтрино, — и они запросто могут породить похожую картину столкновений. Вдобавок, детекторы неидеальны, и иногда они ошибаются при измерении энергий и импульсов особенно когда приходится мерять адронные струи , целые потоки адронов или даже могут неправильно идентифицировать пролетевшую частицу.
Поэтому в реальности физикам приходится тщательно сравнивать полученные данные с предсказаниями Стандартной модели и пытаться найти не просто какую-то статистику событий, а их превышение над фоном Стандартной модели. Так что каждый поиск, каждый анализ — это кропотливая работа десятков и сотен исследователей в течение месяцев или даже лет. Более подробный рассказ о том, как изучают частицы на коллайдере, читайте в статье Анатомия одной новости. Сейчас, в преддверии нового запуска LHC, экспериментальные группы «подчищают хвосты» — доделывают трудоемкие анализы на основе данных, набранных во время первых трех лет работы коллайдера. Регулярно появляются и статьи о тех или иных поисках суперсимметрии, но все они пока приводят к отрицательным результатам. Однако за последний месяц обе крупнейшие коллаборации, работающие на LHC, сообщили о наблюдении любопытных отклонений в похожих — но не идентичных! В обеих работах физики изучали события следующего типа: наблюдаются как минимум две адронные струи, лептонная пара электрон-позитрон или мюон-антимюон и потерянный поперечный импульс. На рис. Конечно, существуют и обычные фоновые процессы, которые дают такой же сигнал. Например, в столкновении протонов может просто родиться Z-бозон, который распадется на лептонную пару, а уж адроны всегда рождаются в избытке.
Если детектор неправильно сосчитает энергию адронных струй, вполне может появиться дисбаланс поперечного импульса. Однако в этом случае дисбаланс будет небольшим, порядка десятков ГэВ. Есть и другие источники фона, но все их физики аккуратно учли. Два примера событий с рождением и распадом суперсимметричных частиц. Частицы Стандартной модели показаны темным цветом, гипотетические суперсимметричные частицы — красным. В обоих вариантах легчайшая суперсимметричная частица считается стабильной. Она улетает, не оставляя след в детекторе, и приводит к дисбалансу поперечного импульса, который детектор измеряет. Два типа процесса отличаются тем, как рождаются лептоны, — независимо вверху или резонансно внизу. В детекторе они будут сильно отличаться по распределению инвариантной массы лептонной пары Два типа сигналов, показанные на рис. На верхней картинке показано нерезонансное рождение лептонов, в котором они излучаются независимо друг от друга.
Эту энергию мы сможем зарегистрировать, например, в виде светового излучения. В детекторе на основе аргона излучение идёт преимущественно в ультрафиолете, и для его регистрации необходимо использовать переизлучатели, сдвигающие спектр в видимую область. Но применение переизлучателей сопряжено с рядом технических сложностей: эти вещества могут растворяться в аргоне или отслаиваться от стенок детектора. Особенно актуальны эти проблемы станут при создании очень больших детекторов. Исследования, проведённые нашим коллективом, показывают, что возможно создание детекторов на основе аргона, которые будут работать без переизлучателей, хотя и с меньшей чувствительностью.
Идея заключается в регистрации излучения в видимом и инфракрасном диапазоне. Даже если на детекторе с такой технологией не получится обнаружить вимпы, то он всё равно сослужит хорошую службу науке: на нём можно будет регистрировать другие события с большим энерговыделением, в том числе достаточно редкие. Например, такие детекторы можно будет использовать для регистрации солнечных нейтрино. Тёмная материя состоит из разных частиц, как и барионная? Вполне возможно, что эта субстанция неоднородна и в ней присутствуют различные частицы.
Что касается аксионов, метод их регистрации основан на том, что в условиях магнитного поля аксионы могут превращаться в фотоны, которые уже можно зарегистрировать. Проводились разные эксперименты, но, к сожалению, зарегистрировать аксионы пока не удалось. Можно сказать, что если бы не было тёмной материи, то наш мир был бы совершенно иным. Например, если тёмную материю «отключить», то гравитационная масса всех объектов во Вселенной окажется намного меньше, поэтому звёзды и планеты просто разлетятся в разные стороны, а галактики исчезнут. Например, плотность тёмной материи значительно выше в центрах галактик, чем в среднем по Вселенной.
В то же время наблюдаются галактики, где почти отсутствует тёмная материя или, наоборот, почти полностью состоящие из неё. При этом считается, что тёмная энергия распределена достаточно равномерно. Как они связаны и что это вообще такое? Тёмная энергия — это, по сути, величина, которая была введена Эйнштейном в своё время для объяснения стационарной модели Вселенной.
Гляжусь, как в зеркало: есть ли шансы у суперсимметрии?
Теории, включающие суперсимметрию, дают возможность решить несколько проблем, присущих Стандартной модели. Теория струн предсказывает, что между этими двумя частицами существует связь, называемая суперсимметрией, при которой для каждого фермиона должен существовать бозон, и наоборот. Так же существуют и более классические теории, согласно которым бозон Хиггса является сложной частицей, основанной на новом типе симметрии, суперсимметрии. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга.
Комментарии
- Теория суперсимметрии под угрозой
- Адронный коллайдер подтвердил теорию суперсимметрии
- Нобелевский лауреат предположил открытие суперсимметрии: Космос: Наука и техника:
- Физики открыли пятую силу природы. Главное об эксперименте с мюоном g-2
- Российский физик — о поисках тёмной материи и её роли во Вселенной
- Популярные материалы
«В настоящее время мы не можем описать Вселенную»
Суперсимме́трия, или симме́трия Фе́рми — Бо́зе, — гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает. Иконка канала Математические теоремы: между теорией и практикой. Многие думают, что даже если большинство теорий суперсимметрии не подтвердились, появятся новые, которые будут включать этот принцип, но в другой концепции. Немногим более сорока лет назад появилась суперсимметрия – теория, в которой каждому существующему фермиону в пару полагается бозон, и наоборот.
Теория суперструн популярным языком для чайников
Но материала для работы маловато. Пока что никаких намёков на «новую физику» за пределами Стандартной модели — принятого набора уравнений, описывающих известные элементарные частицы — не возникло ни в экспериментах на БАК, ни где-либо ещё. Открытый не так давно бозон Хиггса был предсказан Стандартной моделью. Последние тесты по сталкиванию протонов в Киото, Япония, исключили ещё один большой класс суперсимметричных моделей, и другие теории «новой физики», поскольку не нашли ничего необычного в распадавшихся частицах.
В отсутствие намёков на направление движения в экспериментальных данных, как можно догадаться о чём-нибудь, происходящем в природе? Более молодые физики, изучающие частицы, встали перед трудным выбором: следовать путём, проторённым за десятилетия их учителями, и изобретать ещё более изощрённые версии суперсимметрии, или пойти своим путём, без всякого направления со стороны каких бы то ни было данных. В блогпосте о японских испытаниях Фальковский шутит, что пора уже искать работу в неврологии.
Я просто не могу придумать ничего лучше». Суперсимметрия доминировала над физикой частиц десятилетиями, и исключила почти все альтернативные физические теории, выходившие за рамки СМ. Теория привлекательна по трём причинам.
Она предсказывает существование частиц, из которых может состоять «тёмная материя», невидимая субстанция, пронизывающая окраины галактик. Она объединяет три фундаментальных взаимодействия при высоких энергиях. И, самое большое преимущество,— она решает загадку физики под названием «проблема калибровочной иерархии».
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. Победителями были признаны скептики — ученые, не поверившие в обнаружение новых частиц.
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. Если бы ученые смогли найти признаки существования суперпартнеров, это окончательно укрепило бы позиции М-теории. Но современная теоретическая физика пока не в состоянии дать проверяемые прогнозы, а экспериментальная не может представить для этой проверки эксперименты. Большинство великих физиков и космологов одержимы желанием найти это прекрасное и простое описание мира, которое могло бы объяснить все. И хотя мы пока далеки от этого, без гениальных и творческих людей вроде Хокинга это было бы и вовсе невозможно.
И специфика высоких энергий такова, что их рождается достаточно много. Живут они очень мало —10-12 секунд, после тут же распадаются. М-мезон — это аналог электрона, но тяжелее его в 200 раз. Правда, не всегда. А простейший вариант теории суперсимметрии предсказывает ускорение этого процесса. И, в соответствии с теорией, частота распадов может быть увеличена в пять, в 10 раз.
Вы точно человек?
Суперсимметрия является одним из основных кандидатов на роль новой теории в физике элементарных частиц за рамками Стандартной модели. особенностями обладают различные элементарные частицы? Когда была была предложена теория, предполагающая связь. Знаменитая теория Суперсимметрии, объясняющая основы мироздания, не нашла подтверждения в ходе исследований в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на.
Теория суперсимметрии
- Данные, полученные на БАК, поставили под сомнение теорию суперсимметрии
- Эксперимент на Большом адронном коллайдере опроверг современную теорию мироздания
- СОДЕРЖАНИЕ
- [Перевод] Суперсимметрия не подтверждается экспериментами, и физики ищут новые идеи
- Подписка на дайджест