Знаменитая теория Суперсимметрии, объясняющая основы мироздания, не нашла подтверждения в ходе исследований в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН).
Подписка на дайджест
- Теория суперструн для начинающих
- Концепция развивается
- Комментарии:
- Комментарии
Гляжусь, как в зеркало: есть ли шансы у суперсимметрии?
Теория струн предсказывает, что между этими двумя частицами существует связь, называемая суперсимметрией, при которой для каждого фермиона должен существовать бозон, и наоборот. Существует много споров об этой теории, но суперсимметрия является одним из наиболее привлекательно возможных расширений Стандартной модели и ведущим претендентом в. Иконка канала Математические теоремы: между теорией и практикой.
Нобелевская премия по физике 2008 года. Нобелевская асимметрия
Ключевое значение в теории суперсимметрии играет открытый "на бумаге" бозон Хиггса, отвечающий за возникновение массы у элементарных частиц. Но его предсказанная масса сама подвержена большим флуктуациям, вызванным квантовыми эффектами от других элементарных частиц. Эти колебания могут увеличить его массу до такого значения, после которого другие элементарные частицы станут более массивными, чем они есть на самом деле, что фактически противоречит Стандартной модели. В ее рамках теоретики могут исключить влияние колебаний в своих уравнениях, но только если будут иметь точно установленную массу бозона Хиггса. Чуть больше или меньше — и теория рушится. Многих физиков не устраивает Стандартная модель, требующая такой тонкой настройки. Теория суперсимметрии предлагает альтернативное решение проблемы. Теория постулирует, что у фундаментальных частиц есть более тяжелые суперсимметричные партнеры, многие из которых неустойчивы и редко взаимодействуют с обычной материей.
Однако новое наблюдение, о котором было доложено на конференции по физике адронного коллайдера в Киото, противоречит многим моделям в рамках теории суперсимметрии. Теория суперсимметрии Гипотеза суперсимметрии была впервые сформулирована в 1973 году австрийским физиком Юлиусом Вессом и итальянским физиком Бруно Зумино и постулирует существование определенного рода симметрии между двумя основными классами частиц — бозонами и фермионами. Фактически, гипотеза суперсимметрии позволяет при помощи преобразований связать воедино вещество и излучение. На сегодня эта гипотеза не была подтверждена экспериментально. Для того чтобы фактически проверить ее, существует несколько возможностей. Одна из них заключается в поиске определенных цепочек превращения элементарных частиц в коллайдере внутри БАК элементарные частицы сталкиваются друг с другом, и этот процесс приводит последовательному образованию других частиц. Ученые искали такие цепочки превращений в данных, собранных детектором CMS. Второй вариант подразумевает не поиск новых частиц, а обнаружение «недостатка» энергии при определенных типах столкновений. Согласно положениям гипотезы суперсимметрии, за такой недостаток «ответственны» нейтралино — один из типов гипотетических суперсимметричных частиц.
А простейший вариант теории суперсимметрии предсказывает ускорение этого процесса. И, в соответствии с теорией, частота распадов может быть увеличена в пять, в 10 раз. Пока в ходе экспериментов на БАК не зафиксирована частота, которая соответствует теоретическим построениям, но максимальная чувствительность еще не достигнута. Мы надеемся, что еще будет зафиксирован распад с той частотой, которая соответствует выводам теоретиков. Тогда будет много шума. На эту тему.
На сегодня эта гипотеза не была подтверждена экспериментально. Для того чтобы фактически проверить ее, существует несколько возможностей. Одна из них заключается в поиске определенных цепочек превращения элементарных частиц в коллайдере внутри БАК элементарные частицы сталкиваются друг с другом, и этот процесс приводит к последовательному образованию других частиц. Ученые искали такие цепочки превращений в данных, собранных детектором CMS. Второй вариант подразумевает не поиск новых частиц, а обнаружение недостатка энергии при определенных типах столкновений. 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 ее исключать — 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.
«Вселенная удваивается»
Причём из теории суперсимметрии следует существование новых частиц — аналогов уже известных элементарных частиц. Иконка канала Математические теоремы: между теорией и практикой. Суперсимметрия доминировала над физикой частиц десятилетиями, и исключила почти все альтернативные физические теории, выходившие за рамки СМ. Суперсимметрия, возникшая независимо в теории струн, «убила» тахион. На днях теория суперсимметрии получила еще один удар от большого адронного коллайдера (бак.
Крах теории суперсимметрии: большой адронный коллайдер ничего не нашел
Во всех теориях суперсимметрии предполагается, что персимметрию уже на основе первых данных с БАК. Теория суперсимметрии возникла в 1970-х годах как способ исправить существенные недостатки Стандартной модели физики высоких энергий. Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные. Супервремя — понятие, возникшее как «игрушечная модель» в суперсимметричной теории поля — одномерный слепок суперпространства. Иконка канала Математические теоремы: между теорией и практикой.
Симметрия, суперсимметрия и супергравитация
Нужно построить теорию, которая будет инвариантна относительно преобразований суперсимметрии, а также относительно. Суперсимметрия, возникшая независимо в теории струн, «убила» тахион. Это удар по суперсимметрии, который, однако, не сбрасывает теорию со счетов.
Новые методы в классической и квантовой теории поля с расширенной суперсимметрией
А в качестве бонуса один из неоткрытых суперпартнёров может быть составной частью тёмной материи. Со временем, поскольку суперпартнёры не появились, суперсимметрия стала менее красивой. 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.
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. Грин более оптимистичен. И это происходит внутри области.
Только примерно с 2010 года ускорители элементарных частиц, специально разработанные для изучения физики, выходящей за рамки Стандартной модели, начали работать например, Большой адронный коллайдер LHC , и неизвестно, где именно искать, и не известно, где именно искать, ни энергии, необходимые для успешного поиска. Однако отрицательные результаты LHC с 2010 года уже исключили некоторые суперсимметричные расширения Стандартной модели, и многие физики считают, что минимальная суперсимметричная стандартная модель , хотя и не исключена, больше не может полностью решить проблему иерархии.
Суперсимметричные расширения Стандартной модели Основная статья: Минимальная суперсимметричная стандартная модель Включение суперсимметрии в Стандартную модель требует удвоения количества частиц, поскольку никакие частицы в Стандартной модели не могут быть суперпартнерами друг друга. С добавлением новых частиц появляется много возможных новых взаимодействий. Простейшей возможной суперсимметричной моделью, совместимой со Стандартной моделью, является минимальная суперсимметричная стандартная модель MSSM , которая может включать необходимые дополнительные новые частицы, которые могут быть суперпартнерами частиц в Стандартной модели. Отмена квадратичной перенормировки массы бозона Хиггса между диаграммами Фейнмана с фермионной петлей топ-кварка и скалярным стоп- скварком с головастиком в суперсимметричном расширении Стандартной модели Одна из первоначальных мотиваций минимальной суперсимметричной стандартной модели возникла из проблемы иерархии. Из-за квадратично расходящихся вкладов в квадрат массы Хиггса в Стандартной модели квантово-механические взаимодействия бозона Хиггса вызывают большую перенормировку массы Хиггса, и, если не происходит случайного сокращения, естественный размер массы Хиггса является наибольшим. Кроме того, электрослабая шкала получает огромные квантовые поправки планковского масштаба. Наблюдаемая иерархия между электрослабой шкалой и шкалой Планка должна быть достигнута исключительно точной настройкой. Эта проблема известна как проблема иерархии. Суперсимметрия, близкая к электрослабой шкале , например, в минимальной суперсимметричной стандартной модели , решила бы проблему иерархии, которая присуща Стандартной модели.
Это уменьшило бы размер квантовых поправок за счет автоматической отмены между фермионными и бозонными взаимодействиями Хиггса, а квантовые поправки планковского масштаба отменяли бы между партнерами и суперпартнерами из-за знака минус, связанного с фермионными петлями. Иерархия между электрослабой шкалой и шкалой Планка могла бы быть достигнута естественным образом, без особой тонкой настройки. Другая мотивация для минимальной суперсимметричной стандартной модели исходит из великого объединения , идеи о том, что калибровочные группы симметрии должны объединяться при высоких энергиях. В Стандартной модели, однако, слабые , сильные и электромагнитные связи датчиков не могут быть объединены при высокой энергии. В частности, эволюция ренормгруппы трех калибровочных констант связи Стандартной модели несколько чувствительна к нынешнему содержанию частиц в теории. Эти константы связи не совсем совпадают на общей шкале энергий, если мы запустим ренормализационную группу, используя Стандартную модель.
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. Но только потому, что мы не видели каких-либо суперсимметричных частиц, еще не означает, что их нет. Может быть, есть что-то в том, как суперсимметрия проявляется, чего мы пока не понимаем. Может, нужен более мощный коллайдер, чтобы частицы-суперпартнеры проявили себя. Мы не узнаем этого, пока БАК не заработает. Если суперсимметрия была вне досягаемости по уровню энергии во время последнего запуска, данные этого года могут быть совершенно неописуемыми. Конечно, мы можем ничего и не найти. Но это тоже пойдет нам на пользу. Если суперсимметрия ошибочна, это откроет дверь к новому набору теорий. Также появится больше доверия к другим теориям, вроде идеи о мультивселенной, к которой никогда не было особого доверия. Ждем запуска. Напишите свое мнение в комментариях.
Адронный коллайдер подтвердил теорию суперсимметрии
Чтобы понять важность этих результатов, нужно вернуться к основам. Как мы знаем, Стандартная модель описывает элементарные частицы, которые составляют Вселенную, а также их взаимодействие. В настоящее время это одно из лучших описаний субатомного мира, в соответствии с ЦЕРН, которое, однако, имеет ряд брешей. Она не может описать гравитацию, не объясняет существование темной материи и не может предсказать массу бозона Хиггса. К Стандартной модели создаются дополнения, но ученые непрерывно ищут расхождения внутри нее, которые могут указать в направлении новой физики. И теория суперсимметрии является одним из лучших кандидатов на замену СМ.
Этого не произошло.
Конечно, когда мы наберем больше статистики и данных, может оказаться, что суперсимметрия там где-то прячется. Но с каждым сезоном работы БАК надежды на это становится все меньше и меньше. С одной стороны, с точки зрения теории, ничего страшного не происходит, так как никто не предсказывал, что суперсимметрия должна существовать именно на этих энергиях. Вполне возможно, что она проявляется, скажем, при 20 или при 50 ТэВ. С другой стороны, это говорит об определенной слабости современных теоретических представлений. На предыдущих этапах, например, при создании квантовой хромодинамики и теории электрослабого взаимодействия в 1960-70-е годы, теория довольно четко предсказывала, как, где и что следует искать — к примеру, W или Z-бозоны или тяжелые кварки, или тот же бозон Хиггса, хотя масса последнего теоретически варьировалась в довольно широком интервале.
Андрей Старинец, физик-теоретик из Оксфордского университета Отсутствие подобной ясности в вопросе суперсимметрии, на мой взгляд, очень ярко характеризует ситуацию в современной теоретической физике высоких энергий. Тот факт, что мы не можем предсказать подобные вещи, говорит о слабости общей теории, о плохом понимании физики за пределами Стандартной модели. В рамках энергий, описываемых Стандартной моделью, все хорошо, но и здесь очень много работы: нужно постоянно повышать точность экспериментов и точность расчетов, сравнивать одно с другим, искать возможные отклонения от предсказаний. Но в целом пока все измерения совпадают с теоретическими выкладками. О судьбе суперсимметрии трудно сейчас сказать что-то определенное. Может быть, ее вообще нет в природе.
Может быть, она будет открыта на новом суперколлайдере, который, возможно, построят в Китае. Суперсимметрия важна для теории струн, но наличие суперсимметрии в природе само по себе не означает, что последняя — правильная физическая теория. У теоретиков есть еще чисто психологические моменты. Люди, которые никогда не изучали суперсимметрию, могут относится к ней скептически, но они же, изучив предмет, с трудом готовы поверить, что природа обходится без такой красоты. Конечно, на суперсимметрии или на теории струн свет клином не сошелся — ученые разрабатывают и другие подходы к физике за пределами Стандартной модели. Но мне кажется, что в целом состояние отрасли, если иметь в виду теорию, довольно плачевное.
С другой стороны, несмотря на все усилия, понимания того, как устроен мир на энергиях, превышающих типичные значения для Стандартной модели, у нас по-прежнему нет. Можно сравнить эту ситуацию с тем, как развивалась фундаментальная физика в 1950-е — 70-е годы: сначала вел эксперимент, все более мощные ускорители постоянно открывали большое число новых частиц, и совершенно непонятно было, как все это описывать и классифицировать. Старые подходы не работали. В 1959 году, выступая на конференции по физике высоких энергий в Киеве, Лев Ландау объявил, что прежний, гамильтонов, подход к теории поля умер, и остается лишь организовать ему достойные похороны. Возникли новые методы, в которых было очень много красивой математики, но не так уж много физического содержания. Но уже через десять лет в рамках старого, уже, казалось бы, похороненного подхода, появилась теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, и Стандартная модель, появились соответствующие предсказания, которые затем были блестяще подтверждены в новых экспериментах.
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. Это создает серьезную проблему для теории суперсимметрии. Поскольку суперчастицы оказываются более тяжелыми, чем предполагалось, они уже не так хорошо уравновешивают квантовые колебания.
Теоретики все еще могут заставить теорию работать, но только при определенных значениях масс суперчастиц. Получается, что нужна та самая "тонкая настройка", для устранения которой теория была изобретена. Но для физики элементарных частиц в целом это будет очень интересно".
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. 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.