Теория струн (теория суперструн) и суперсимметрия претендуют на роль Единой Теории Поля. Суперсимме́трия, или симме́трия Фе́рми — Бо́зе, — гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает. Когда суперсимметрия задана как местный симметрия, теория Эйнштейна общая теория относительности включается автоматически, и результат называется теорией супергравитация. Жесткие требования суперсимметрии при отборе жизнеспособных теорий должны замениться на какой-то руководящий принцип, который, не будучи суперсимметрией, действует по. Зачем физики ищут симметрию между элементарными частицами, и почему для работы теории струн нужно двадцать шесть измерений.
Симметрия, суперсимметрия и супергравитация
Теория суперсимметрии возникла в 1970-х годах как способ исправить существенные недостатки Стандартной модели физики высоких энергий. Суперсимметрия — Это статья о физической гипотезе. Об одноимённом альбоме группы «Океан Эльзы» см. статью Суперсиметрія (альбом). За пределами Стандартной модели Стандартная модель Свидетельства Проблема иерархий • Тёмная материя Проблема. С момента ввода в обиход теории суперсимметрии и до настоящего времени эта теория являлась лишь только неподтвержденной физической гипотезой. В чем заключается «кризис суперсимметрии», как «поделить» физику высоких энергий и для чего нужно строить у себя установки класса megascience, в интервью.
Физики открыли пятую силу природы. Главное об эксперименте с мюоном g-2
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. Кроме того, в рамках гипотезы существует альтернатива модели большого взрыва, согласно которой наша вселенная появилась в результате столкновения двух бран и проходит через повторяющиеся циклы создания и разрушения.
В выводах, опубликованных в журнале Nature Physics, измерения не показали никакого правостороннего вращения. В конечном счете ученые получили результат, который был в соответствии со стандартной моделью: прелестный кварк распадается только на верхний кварк, если имеет левосторонний спин. Это удар по суперсимметрии, который, однако, не сбрасывает теорию со счетов. И тот факт, что ученые смогли проделать такие измерения а ранее они казались слишком сложными , впечатляет.
Это как искать иголку в стоге сена", - говорит сатклифф. Поделитесь с друзьями!
Победителями были признаны скептики — ученые, не поверившие в обнаружение новых частиц. Расчеты обещают быть простыми благодаря равному числу победителей и проигравших — по 20. Издание отмечает, что на мероприятии присутствовал знаменитый британский физик Стивен Хокинг, который в свое время воздержался от участия пари.
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. Суть работ на коллайдере заключается в изучении столкновения двух пучков протонов с суммарной энергией 14 ТэВ на один протон. Эта энергия в миллионы раз больше, чем энергия, выделяемая в единичном акте термоядерного синтеза. Кроме того, будут проводиться эксперименты с ядрами свинца, сталкивающимися при энергии 1150 ТэВ. Ускоритель БАК обеспечит новую ступень в ряду открытий частиц, которые начались столетие назад.
🔸 Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной🔸
Для материальных фермионных полей — кварков и лептонов — нужно ввести скалярные поля — скварки и слептоны, по два поля на каждое поле Стандартной модели. Для нарушения электрослабой симметрии в MSSM нужно ввести 2 хиггсовских дуплета в обычной Стандартной модели вводится один хиггсовский дуплет , то есть в MSSM возникает 5 хиггсовских степеней свободы — заряженный бозон Хиггса 2 степени свободы , лёгкий и тяжёлый скалярный бозон Хиггса и псевдоскалярный бозон Хиггса. В любой реалистической суперсимметричной теории должен присутствовать сектор, нарушающий суперсимметрию. Наиболее естественным нарушением суперсимметрии является введение в модель так называемых мягких нарушающих членов. В настоящее время рассматриваются несколько вариантов нарушения суперсимметрии.
SUGRA — нарушение суперсимметрии , основанное на взаимодействии с гравитацией; GMSB — нарушение за счёт взаимодействия с дополнительными калибровочными полями с зарядами по группе Стандартной модели ; AMSB — нарушение, также использующее взаимодействие с гравитацией, но с применением конформных аномалий. Достоинства идеи суперсимметрии Теории, включающие суперсимметрию, дают возможность решить несколько проблем, присущих Стандартной модели: Решение проблемы иерархии. Одно из её проявлений — величина радиационных поправок к массе бозона Хиггса. В рамках Стандартной модели поправки к массе скалярного поля имеют квадратичную форму и оказываются существенно больше, чем масса поля, входящая в лагранжиан.
Поскольку другие частицы связаны с полем Хиггса, их энергии должны влиться в него в момент квантовых флюктуаций. Это должно сильно поднять энергию хиггсовского поля, делая W и Z-бозоны более массивными и приводя к тому, что слабое взаимодействие ослабеет до уровня гравитации. Суперсимметрия решает проблему иерархии, предполагая наличие суперпартнёра-близнеца для каждой элементарной частицы. Согласно теории, у фермионов, из которых состоит материя, есть суперпартнёры-бозоны, переносящие взаимодействия, а у существующих бозонов есть суперпартнёры-фермионы. Поскольку типы частиц и их суперпартнёров противоположны, вклады их энергии в хиггсовское поле обладают противоположными знаками — один его увеличивает, второй уменьшает. Вклады пар взаимоуничтожаются, и никаких катастроф не происходит. 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.
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. 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.
Эти результаты на самом деле полностью укладываются в Стандартную модель. Суперчастицы до сих пор не обнаружены и другими детекторами на других ускорителях. Загадка темной материи Если теория суперсимметрии не в состоянии объяснить существование темной материи, теоретикам придется искать другие объяснения несоответствий в Стандартной модели. Пока что физики, которые спешат предложить свои варианты новой физической теории, терпят неудачу. Однако сторонники теории суперсимметрии, например, профессор Джон Эллис из Королевского колледжа в Лондоне, возражают на это, указывая, что полученные результаты не противоречат этой теории. Меня лично этот результат не очень расстраивает", - говорит ученый. В 2011 году на Большом адронном коллайдере была проведена серия экспериментов, в ходе которых проверялись фундаментальные выводы теории суперсимметрии, а также верность описания ею физического мира. Как заявила 27 августа 2011 года представитель ЦЕРН профессор Тара Шиарс, эксперименты не подтвердили основные положения теории. При этом Тара Шиарс уточнила, что не нашла подтверждения упрощенная версия теории суперсимметрии.
Нобелевская премия по физике 2008 года. Нобелевская асимметрия
| «Уродливая Вселенная: как поиски красоты заводят физиков в тупик» | Суперсимметрия дает способ объединить электрослабое и сильные взаимодействия и в конечном счете создать единую теорию поля. |
| Физики в Копенгагене подвели итоги 15-летнего пари о теории суперсимметрии | Суперсимметрия является одним из основных кандидатов на роль новой теории в физике элементарных частиц за рамками Стандартной модели. |
| Суперсимметрия в свете данных LHC: что делать дальше? | С момента ввода в обиход теории суперсимметрии и до настоящего времени эта теория являлась лишь только неподтвержденной физической гипотезой. |
Адронный коллайдер подтвердил теорию суперсимметрии
Ты просто «супер» К началу семидесятых годов физикам уже было известно практически все о симметрии в законах физики. Оказалось, что каждое из взаимодействий — электромагнитное, слабое, сильное — обладает своей особой симметрией. Помимо этого, все известные нам теории в целом также симметричны: происходящие явления не зависят, например, от ориентации в пространстве и от направления течения времени. Наличие симметрий приводит к законам сохранения — энергии, электрического заряда и других. Но в 1973 году физики Юлиус Весс и Бруно Зумино предложили принципиально новый тип симметрии — между фермионами и фотонами, что частицы одного вида могут превращаться в частицы другого. Это симметрия несколько другого уровня, которая по сути, позволяет излучению превращаться в вещество, и наоборот.
Поскольку эту идею нельзя было приписать к стандартным понятиям симметрии, она получила претенциозное название «суперсимметрия». Рука об руку Суперсимметрия постулирует, что каждой частице Стандартной модели соответствует ее «суперпартнер» - фермион, соответствующий бозону, или наоборот. Партнеры фермионов — сфермионы: скварк для кварка, сэлектрон для электрона и так далее. Партнер фотона был назван фотино, глюона — глюино, а для бозона Хиггса — хиггсино. Кроме спина, суперпартнеры обладают абсолютно одинаковыми свойствами — массой, зарядом и другими.
Достижения суперсимметрии Суперсимметрия объясняет некоторые важные проблемы Стандартной модели. Мы знаем, что взаимодействия между частицами имеют разную интенсивность. Самым «сильным» действительно является сильное взаимодействие, затем идут электромагнитное и слабое. Это был момент «великого объединения». Стандартная модель такого поведения не предсказывает, а вот суперсимметрия в силах изменить эволюцию интенсивности взаимодействий.
Статья по теме Морская болезнь: что такое гравитационные волны и как их обнаружили Другое сообщество ученых бьется над так называемой проблемой иерархии: массы переносчиков слабого взаимодействия, W и Z-бозонов, в 10,000,000,000,000,000 массы Планка — масштаба энергий, на котором гравитационное взаимодействие становится интенсивным. Откуда берется такая разница, неизвестно.
До настоящего времени.
В свою очередь, новая физика — физика за пределами Стандартной модели — относится к теоретическим разработкам, которые необходимы, чтобы объяснить недостатки СТ. Например, происхождение массы, сильная CP-проблема, нейтринные осцилляции, асимметрия материи и антиматерии, происхождение темной материи и темной энергии. Другая проблема заключается в математических основах самой Стандартной модели — она не согласуется с общей теорией относительности ОТО.
Одна или обе теории распадаются в своих описаниях на более мелкие при определенных условиях например, в рамках известных сингулярностей пространства-времени, таких как Большой взрыв и горизонты событий черных дыр. Поскольку эти теории, как правило, полностью согласуются с текущими наблюдаемыми явлениями или не доведены до состояния конкретных предсказаний, вопрос о том, какая теория является правильной или по крайней мере «лучшим шагом» к Теории всего , может быть решен только с помощью экспериментов. В настоящее время это одна из наиболее активных областей исследований как в теоретической, так и в экспериментальной физике.
Стандартная модель очень точно предсказывает g-фактор мюона — значение, которое говорит ученым, как эта частица ведет себя в магнитном поле. Этот g-фактор, как известно, близок к значению два, и эксперименты измеряют его отклонение от двух, отсюда и название Muon g-2. Эксперимент в Брукхейвене показал, что g-2 отличается от теоретического предсказания на несколько частей на миллион.
Эта крохотная разница намекала на существование неизвестных взаимодействий между мюоном и магнитным полем — взаимодействий, которые могут включать новые частицы или силы. К чему приведут новые открытия? Частицы, выходящие за рамки Стандартной модели, могут помочь объяснить загадочные явления, как природа темной материи, загадочной и широко распространенной субстанции, о существовании которой физики знают, но её еще предстоит обнаружить.
А что такое мюоны? Вся наша Вселенная построена из частиц размером меньше атома. Некоторые из этих частиц состоят из еще более мелких частиц, другие уже не дробятся.
Это и есть элементарные частицы. Мюоны как раз и являются такими элементарными частицами: они похожи на электроны, только в 200 раз тяжелее. В ходе эксперимента Muon g-2 частицы разгонялись по 14-метровому кольцу в циркулярном коллайдере под воздействием мощного магнитного поля.
Согласно известным законам физики, это должно было приводить к колебанию мюонов с определенной частотой.
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. В этом случае энергии двух лептонов не связаны друг с другом, а значит, инвариантная масса этой пары mll может быть самой разной, и большой, и маленькой. На нее имеется лишь ограничение сверху, поскольку эти лептоны получаются из распадов тяжелых частиц. С точки зрения эксперимента, характерный сигнал таких событий выглядит так: имеется широкое распределение по mll, которое вдруг обрывается выше некоторого значения.
Именно этот «обрыв распределения» и искали физики. На нижней картинке на рис. Здесь лептоны рождаются не сами по себе, а получаются в результате распада Z-бозона. Поэтому их энергии скоррелированы, а инвариантная масса пары близка к массе Z-бозона 91 ГэВ. Поэтому в поисках такого типа событий можно сфокусироваться на области от 81 до 101 ГэВ, а участок распределения вне ее, наоборот, использовать для оценки фона. Но вот результаты у них получились разными. CMS сообщает , что в случае нерезонансного рождения рис. Эффект, конечно, не слишком впечатляющий, но тем не менее заслуживает интереса, тем более что это был один из первых поисков суперсимметрии методом обрыва распределения. В случае резонансного рождения коллаборация CMS не видит никаких отклонений.
Нерезонансный поиск ничего существенного не выявил, зато в резонансном рождении было найдено любопытное отклонение. Бросается в глаза то, насколько малый тут фон и насколько сильным оказался сигнал. В случае CMS всё выглядело иначе: был большой фон, и на нем физики разглядели небольшое превышение. В мюонном случае превышение заметно слабее, но тоже кое-что наблюдается. Невооруженному взгляду может показаться, что левый график на рис. Результаты поиска сигнала с резонансным рождением электрон-позитронной пары слева и мюон-антимюонной справа. Точки с погрешностями — зарегистрированные данные,закрашенные или заштрихованные области — фон Стандартной модели, пунктирная гистограмма — пример того, что могут дать суперсимметричные модели. Изображение из статьи коллаборации ATLAS Конечно, сейчас пока рано утверждать, что в коллайдере действительно было открыто явление, достоверно выходящее за рамки Стандартной модели. Такое отклонение вполне может оказаться статистической флуктуацией или неучтенной погрешностью детектора.
В физике частиц встречались примеры, когда по прошествии некоторого времени рассасывались сигналы и с большей статистической значимостью.
Возможно даже, хотя это трудно представить, что струна оборачивает тор в двух направлениях одновременно, результатом чего будет другая частица с другой массой. Браны тоже могут оборачивать дополнительные измерения, создавая еще больше возможностей. Определение пространства и времени Во многих версиях теория суперструн измерения сворачивает, делая их ненаблюдаемыми на современном уровне развития технологии. В настоящее время не ясно, сможет ли теория струн объяснить фундаментальную природу пространства и времени больше, чем это сделал Эйнштейн.
В ней измерения являются фоном для взаимодействия струн и самостоятельного реального смысла не имеют. Предлагались объяснения, до конца не доработанные, касавшиеся представления пространства-времени как производного общей суммы всех струнных взаимодействий. Такой подход не отвечает представлениям некоторых физиков, что привело к критике гипотезы. 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.
Крах теории суперсимметрии: большой адронный коллайдер ничего не нашел
Эту иерархию можно описать несколькими разными способами, каждый из которых упирает на одно из её свойств. Например: Масса мельчайшей возможной чёрной дыры определяет то, что известно, как планковская масса. В связи с этим существует огромная иерархия масштабов массы между слабым ядерным взаимодействием и гравитацией. Сталкиваясь с таким огромным числом, как 10 000 000 000 000 000, десять квадриллионов, физики естественным образом задают вопрос: откуда оно взялось?
И у него может быть довольно интересное объяснение. Но пытаясь найти это объяснение в 1970-х, физики увидели существование серьёзной проблемы, даже парадокса, скрывающегося за этим числом. Эта проблема, известная сейчас, как проблема иерархии, связана с размером ненулевого поля Хиггса, которое в свою очередь определяет массу частиц W и Z.
Но оказывается, что из квантовой механики следует, что такой размер поля Хиггса нестабилен, это нечто вроде аналогия неполная! Из известной нам физики, из квантового дрожания, вроде бы следует, что для поля Хиггса должно существовать два естественных значения — по аналогии с двумя естественными местами для вазы, либо твёрдо стоящей на столе, либо валяющейся разбитой на полу. И получается, что поле Хиггса вроде бы должно быть либо нулевым, или оно должно быть сопоставимым по размеру с планковской энергией, в 10 000 000 000 000 000 больше наблюдаемого значения.
Почему же его значение получается ненулевым и таким крохотным, таким, на первый взгляд, неестественным? Это и есть проблема иерархии. Многие физики-теоретики посвящали заметную часть своей карьеры попыткам решения этой проблемы.
Некоторые утверждали, что нам нужны новые частицы и новые взаимодействия их идеи проходят под именами суперсимметрии, техницвета, малого Хиггса, и т. Некоторые говорили, что наше понимание гравитации ошибочно, и что существуют новые, неизвестные измерения «дополнительные измерения» пространства, которые мы обнаружим в ближайшем будущем в экспериментах на БАК. Другие говорят, что тут и объяснять нечего, поскольку действует эффект отбора: Вселенная гораздо больше и разнообразнее, чем наблюдаемая нами часть, и мы живём в довольно неестественной части Вселенной в основном потому, что оставшаяся её часть непригодна для жизни — точно так же, как, несмотря на то, что каменистые планеты встречаются редко, мы живём на одной из них оттого, что только тут мы могли эволюционировать и выжить.
Возможно, у этой проблемы существуют и другие, пока не придуманные решения. Многие из этих из этих решений — уж точно все решения с новыми частицами и взаимодействиями, и с новыми измерениями — предсказывают, что новые явления можно будет увидеть на БАК. И постепенно, но неумолимо БАК исключает эти возможности одну за другой.
Пока что мы не видели никаких неожиданных явлений. Но мы находимся только в начале пути. Кстати, часто можно прочесть, как проблему иерархии связывают с массой частицы Хиггса.
Это не так. Проблема с тем, что величина ненулевого поля Хиггса слишком большая. Строже говоря, квантовая механика подправляет не массу Хиггса, а квадрат массы Хиггса, изменяя потенциальную энергию поля Хиггса, а следовательно, и величину поля, и делает его нулевым или слишком большим.
А это катастрофа, поскольку массы W и Z известны. Масса Хиггса неизвестна, поэтому она могла бы быть очень большой — если массы W и Z тоже были бы большими.
Поскольку в природе не наблюдается вырождение по массам у фермионов и бозонов, суперсимметрия с необходимостью должна быть нарушена, и поиск адекватных механизмов такого нарушения является актуальной задачей.
Те энергии, которые сейчас достижимы на ускорителях, считаются с точки зрения теории суперструн совсем малыми. К сожалению, в ближайшем будущем суперсимметрия, скорее всего, не может быть подтверждена экспериментально», — пояснил ученый. По некоторым теоретическим предсказаниям, суперпартнеры могут иметь массы, намного превышающие массы уже открытых частиц, и, чтобы обнаружить их на ускорителях, понадобится энергия, которая недостижима на современных машинах и, возможно, даже на ускорителях следующего поколения.
Однако суперсимметрия имеет глубокие теоретические следствия, делающие ее незаменимой концепцией. В частности, именно она обеспечивает самосогласованность теории суперструн. Все эти следствия и их непротиворечивость необходимо проверять теоретически.
Подтверждение гипотезы, что суперструны описывают все фундаментальные взаимодействия, — кропотливая и долговременная работа», — подчеркнул Евгений Иванов. Суперсимметрия в теории реализуется в суперпространстве, в котором к пространству Минковского добавлены дополнительные фермионные измерения, так называемые грассмановы координаты. Грассмановы координаты не имеют физической интерпретации; каждая из них, возведенная в квадрат, дает ноль.
Таким образом, суперпространство является умозрительной вспомогательной структурой, которая позволяет максимально просто и ясно реализовать на ней суперсимметрию. Существуют и теории с настоящими бозонными дополнительными измерениями — суперпространства с 10 бозонными координатами, и еще более сложные теории с 11-мерным пространством. Эти дополнительные бозонные измерения которые не наблюдаются при энергиях, достижимых на настоящий момент необходимы для согласованности теории суперструн на квантовом уровне.
В выводах, опубликованных в журнале Nature Physics, измерения не показали никакого правостороннего вращения. В конечном счете ученые получили результат, который был в соответствии со стандартной моделью: прелестный кварк распадается только на верхний кварк, если имеет левосторонний спин. Это удар по суперсимметрии, который, однако, не сбрасывает теорию со счетов. И тот факт, что ученые смогли проделать такие измерения а ранее они казались слишком сложными , впечатляет. Это как искать иголку в стоге сена", - говорит сатклифф. Поделитесь с друзьями!
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.
Теория суперструн популярным языком для чайников
Это позволяет связать суперсимметрии и деформации пространственно-временной метрики, которые, согласно общей теории относительности, и есть причина тяготения. Теория струн предсказывает, что между этими двумя частицами существует связь, называемая суперсимметрией, при которой для каждого фермиона должен существовать бозон, и наоборот. 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. Существует много споров об этой теории, но суперсимметрия является одним из наиболее привлекательно возможных расширений Стандартной модели и ведущим претендентом в.
"Теория проигрывает эксперименту": новый кризис в физике высоких энергий?
Зачем физики ищут симметрию между элементарными частицами, и почему для работы теории струн нужно двадцать шесть измерений. Немногим более сорока лет назад появилась суперсимметрия – теория, в которой каждому существующему фермиону в пару полагается бозон, и наоборот. В чем заключается «кризис суперсимметрии», как «поделить» физику высоких энергий и для чего нужно строить у себя установки класса megascience, в интервью. Теория струн предсказывает, что между этими двумя частицами существует связь, называемая суперсимметрией, при которой для каждого фермиона должен существовать бозон, и наоборот. Левин Б.М. Реализация суперсимметрии в атоме дальнодействия и конфайнмент, барионная асимметрия, тёмная материя/тёмная энергия. Несмотря на кажущуюся катастрофу, изначальная теория суперсимметрии даёт нам простой и правдоподобный выход из ситуации.
Данные, полученные на БАК, поставили под сомнение теорию суперсимметрии
Теория струн (теория суперструн) и суперсимметрия претендуют на роль Единой Теории Поля. Однако Тара Шиарс отказалась полностью отвергнуть теорию суперсимметрии и заметила, что не нашли подтверждения выводы ее упрощенной версии, а не более сложного варианта. му же, в этом случае у нас исчезают расходимости в первом порядке теории возмущений, что тоже является одним из плюсов суперсимметрии. С момента ввода в обиход теории суперсимметрии и до настоящего времени эта теория являлась лишь только неподтвержденной физической гипотезой.
«Вселенная удваивается»
Гармоническое суперпространство было открыто в Дубне коллективом авторов. На сегодняшний день понятие гармонического суперпространства стало общепринятым в математической физике. Оно оказалось незаменимым для изучения суперсимметричных калибровочных теорий и особенно — их квантовых свойств, в пространствах с разным количеством измерений от четырех до десяти. Для изучения структуры суперструн необходимо в полной мере понимать все теоретико-полевые пределы этой теории.
Определенный этап работ закончен, но сейчас возникает множество новых задач, которыми мы продолжаем заниматься. Результаты конкретных вычислений в рамках теории суперструн в итоге позволят найти связи между наблюдаемыми константами взаимодействия в природе», — заключил Евгений Иванов. Труды авторов имеют высокую цитируемость.
Их результатами пользуются и принимают активное участие в их дальнейшем развитии многие научные группы в мире: в Австралии, Германии , США, Франции и других странах. Основные результаты исследований представили сами ученые: «Цикл актуальных исследований, выполненных за последние семь лет, направлен на развитие явно ковариантных и явно суперсимметричных методов построения эффективных действий калибровочных теорий поля с расширенной суперсимметрией в различных размерностях. Общая мотивация и цели вошедших в цикл работ связаны с изучением низкоэнергетических следствий теории суперструн методами суперсимметричной теории поля.
Показано, что этот метод позволяет единым образом воспроизвести все известные суперполевые инварианты, отвечающие таким теориям, и построить новые суперинварианты. Развит метод изучения структуры однопетлевых и двухпетлевых расходимостей в рассматриваемых шестимерных теориях. Полученные результаты были опубликованы в 22 статьях, главным образом в Physics Letters B, Nuclear Physics B и Journal of High Energy Physics, и представлены в 15 пленарных докладах на международных конференциях.
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. 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.
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. NUHM модель с неуниверсальными хиггсами — чуть более свободная разновидность MSSM, в которой снято предположение о жесткой универсальности между хиггсовскими полями; 6 свободных параметров.
Она обладает более сложным набором хиггсовских полей и в простейшем варианте содержит 7 свободных параметров. Подчеркнем, что вариация свободных параметры в каждой модели не просто слегка меняет предсказания для рождения и распада суперчастиц. Она может полностью перекроить всю картину процессов.
Поэтому в рамках каждой модели всё равно остается довольно большой или в случае pMSSM — очень большой набор возможностей, который надо изучать индивидуально. Суть экспериментального поиска Поиск суперсимметрии на LHC. Прежде чем делать выводы о том, какие последствия для теории повлекли за собой данные первых трех лет LHC, следует четко осознать общую идею, которая руководила физиками при разработке стратегии поиска.
Детальные теоретические предсказания, а тем более тщательное моделирование реальных процессов, очень ресурсоемки. Проработать их в мельчайших деталях более чем для нескольких десятков существенно разных конкретных моделей практически невозможно. Поэтому упор следует делать лишь на очень небольшое количество конкретных моделей с конкретными значениями параметров.
С другой стороны, физики отдают себе полный отчет в том, что суперсимметрия — даже если она реализуется в природе — вовсе не обязана выражаться простой моделью. Никто не гарантирует, что она вообще будет соответствовать MSSM! Надежда физиков при запуске LHC состояла в том, что тем не менее одно с другим сможет состыковаться: какова бы ни была в реальности суперсимметрия, ее проявления в каком-то виде заметит и стратегия, предназначенная для простых опорных моделей.
Это, подчеркнем, именно надежда, а не доказанное утверждение.
Согласно ей, у каждой частицы существует "двойник". Его очень трудно обнаружить, но не быть его не может. Когда на умирающем "Теватроне" вдруг нашли намеки на существование, команда "Красотки LHC" решила это проверить. Эксперимент заключался в беспрецедентно детальном изучении распада Б-мезонов, возможном сегодня только на LHC. По данным команды "Теватрона" и еще нескольких других ускорительных лабораторий, на ход наблюдаемого ими распада Б-мезонов, возможно, влияло присутствие суперсимметричных частиц.
СУПЕРСИММЕ́ТРИ́Я
Иконка канала Математические теоремы: между теорией и практикой. Зачем физики ищут симметрию между элементарными частицами, и почему для работы теории струн нужно двадцать шесть измерений. Теория суперсимметрии предполагает, что физические законы должны оставаться неизменными при перестановке бозонных и фермионных частиц. Так что суперсимметрия должна нарушаться в том смысле, что отношения, предсказанные теорией суперсимметрии, не могут быть строгими.