Важные результаты в изучении низкоэнергетических следствий теории суперструн методами суперсимметричной теории поля получила в ходе цикла работ группа теоретиков из ОИЯИ. Суперсимметрия является одним из основных кандидатов на роль новой теории в физике элементарных частиц за рамками Стандартной модели. Супервремя — понятие, возникшее как «игрушечная модель» в суперсимметричной теории поля — одномерный слепок суперпространства. Физики со всего мира на встрече в Копенгагене подвели итоги пари, касающегося теории суперсимметрии, пишет научно-популярное издание Quanta. Супервремя — понятие, возникшее как «игрушечная модель» в суперсимметричной теории поля — одномерный слепок суперпространства.
Физики в Копенгагене подвели итоги 15-летнего пари о теории суперсимметрии
| Большой адронный коллайдер нанес еще один удар теории суперсимметрии. | Физики со всего мира на встрече в Копенгагене подвели итоги пари, касающегося теории суперсимметрии, пишет научно-популярное издание Quanta. |
| Суперсимметрия в свете данных LHC: что делать дальше? | Теория суперсимметрии предполагает, что физические законы должны оставаться неизменными при перестановке бозонных и фермионных частиц. |
«Вселенная удваивается»
В новостях можно иногда встретить утверждение, что отрицательные данные LHC ставят крест на идее суперсимметрии. Киральная симметрия (от греч. cheir — рука) — инвариантность уравнений квантовой теории поля относительно преобразований, перемешивающих состояния частиц как с различными. Теория суперсимметрии возникла в 1970-х годах как способ исправить существенные недостатки Стандартной модели физики высоких энергий.
Где же эти частицы-суперпартнёры?
- Экзамены суперсимметричной модели вселенной 1978 - Помощь в подготовке к экзаменам и поступлению
- Физик Эмиль Ахмедов о рядах Тейлора, березиновских координатах и свойствах полей фермионов
- Купить книги в - Магазин научной книги
- Симметрия, суперсимметрия и супергравитация
- Вы точно человек?
СУПЕРСИММЕТРИЯ
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.
Физики всего мира искали отклонения в Стандартной модели с помощью Большого адронного коллайдера, сталкивая триллионы протонов. Найденный бозон Хиггса ведет себя согласно предсказаниям Стандартной модели. Это величайшее интеллектуальное достижение, но оно совсем не радостно. Отсутствие несоответствий не поможет углубить существующую теорию. К примеру, ученым очень хотелось, но не удалось найти подтверждения суперсимметрии — теории о том, что у каждой элементарной частицы есть гораздо более тяжелый «суперпартнер». А ведь эта теория могла бы связать воедино физические силы и расширила бы наши представления об элементарных частицах куда бы уже можно было включить темную материю. Сабин Хоссенфельдер, физик-теоретик Франкфуртского института перспективных исследований, опасается, что суперсимметрии предначертано остаться лишь мечтой. В прошлом году Сабин стала одним из самых громких критиков состояния современной физики, выпустив книгу с провокационным названием «Заблудшие в математике: куда ведет физику поиск красоты».
Хоссенфельдер утверждает, что современные физики сбились с пути в погоне за математической грацией: «Они поверили, что матушка природа следовала простому и элегантному замыслу и обязательно даст нам знак. Они думали, что слышат ее шепот, а в действительности говорили сами с собой». Физики не согласны с этими обвинениями: они полвека гонялись за бозоном Хиггса и уже почти опустили руки, пока матушка природа чуть ли не вложила его им в ладони. Тем временем космологи весьма разношерстная группа ученых , наконец сошлись во мнениях о стандартной модели нашей Вселенной. О ней мы тоже больше ничего не знаем. В целом о существовании этой темной стороны вселенной мы знаем только по аномальной скорости вращения звезд и галактик. Вряд ли это может означать конец науке.
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. Последнее из этих подтверждений — обнаружение хиггсовского бозона, это, так сказать, теоретический привет из шестидесятых. Само по себе это нормально, но вопрос о том, сменится ли эта фаза реальным прогрессом в понимании природы, остается, на мой взгляд, открытым. Прошлые успехи не гарантируют успеха в будущем. Кроме того, сейчас имеется серьезная объективная трудность: в отличие от 1950-х годов, у нас сейчас не так много экспериментальных данных. Вот если бы БАК или другой ускоритель нашли бы "новую физику", тогда дело бы пошло веселей. А так, в основном, мы имеем только косвенные подтверждения, что новая физика есть. По сути, мы сейчас идем за экспериментами — мы строим коллайдер, он, к счастью, находит бозон Хиггса, но не открывает микро-черные дыры или какие-то другие новые и интересные объекты, вроде суперпартнеров. Теоретики задыхаются от недостатка новых данных и у них, образно говоря, начинаются разнообразные сугубо математические галлюцинации… И это все при том, что острые нерешенные вопросы еще у нас есть. Мне, теоретику, ситуация, в которой теория становится ведомой, совсем не по душе. Мне кажется, что вопрос "нужно ли идти дальше?
Большой адронный коллайдер подорвал позиции теории суперсимметрии 272 0 В данных, собранных детекторами Большого адронного коллайдера, не было обнаружено подтверждений гипотезы суперсимметрии, которая, в частности, предполагает, что у каждой элементарной частицы существует суперсимметричный «двойник». Новые результаты, детализированные в двух статьях, не исключают эту гипотезу полностью, но устанавливают новые пределы для ее обнаружения. Теория суперсимметрии под угрозой Сотрудники Европейского центра ядерных исследований ЦЕРН , работающие на Большом адронном коллайдере, обнаружили чрезвычайно редкий случай распада элементарных частиц. Это наблюдение наносит значительный урон теории суперсимметрии. Она основана на предположении, что существует гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить вещество во взаимодействие, и наоборот. Теория суперсимметрии выдвигалась многими физиками-теоретиками в качестве средства объяснения некоторых несоответствий в Стандартной модели Вселенной. Эти физики очень рассчитывали получить с помощью Большого адронного коллайдера первое экспериментальное подтверждение этой теории.
"Теория проигрывает эксперименту": новый кризис в физике высоких энергий?
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". Не забываем поделиться записью!
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. Функции, заданные в суперпространстве суперполя , в разложении по грассмановым переменным дают автоматически все поля, которые объединяются в супермультиплеты.
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.
Симметрия электрослабого взаимодействия, например, восстанавливается как раз при энергиях, достигающихся на Большом адронном коллайдере, о чем сигнализирует нам рождение бозона Хиггса. Это маленькие группы, как видно по небольшим числам в скобках. Но более крупные группы симметрии зачастую содержат в себе несколько групп поменьше, так что одна большая группа, чья симметрия нарушается при высоких энергиях, могла бы породить Стандартную модель при энергиях, которые мы исследуем. Получается, теория Великого объединения — словно некий слон, а у нас сейчас, на низких энергиях, есть от него лишь ухо, хвост и нога. Целиком слон восстановится только при энергии объединения, оцениваемой примерно в 1016 ГэВ, что на 15 порядков превышает энергии Большого адронного коллайдера. Сначала для симметрии Великого объединения была предложена самая маленькая группа, содержащая группы симметрии Стандартной модели, — SU 5. Такие объединенные силы в общем случае допускают новые взаимодействия, позволяющие протонам распадаться. А если протоны нестабильны, значит, нестабильны и ядра атомов. В подобных теориях объединения время жизни протона может достигать 1031 лет, существенно превышая возраст Вселенной на текущий момент. Однако в соответствии с квантовой механикой это попросту означает, что среднее время жизни протона таково. Раз протоны вообще могут распадаться, значит, это может происходить и быстро — просто быстрые распады будут событиями редкими. В каждой молекуле воды 10 протонов, а в каждом литре воды около 1025 молекул воды. Поэтому вместо того, чтобы ждать 1031 лет, дабы увидеть распад одного протона, мы можем следить за огромным объемом воды, ожидая, пока распадется один из тамошних протонов. Подобные эксперименты проводятся с середины 1980-х годов, но еще никто не засек распада протона. Текущие наблюдения а точнее, отсутствие оных намекают на то, что среднее время жизни протона больше 1033 лет. Так что SU 5 -модель Великого объединения исключается. Следующей была предложена группа побольше — SO 10 , в этой модели объединения верхняя граница для времени жизни протона проходит повыше. С тех пор опробованы были еще несколько групп симметрии, и в некоторых моделях верхняя граница для времени жизни протона сдвинута аж до 1036 лет, что на порядки превышает даже возможности будущих экспериментов. Помимо распада протона теории Великого объединения также предсказывают существование новых частиц, поскольку крупные группы содержат больше, чем есть в Стандартной модели. Предполагается, как обычно, что эти новые частицы слишком тяжелые, поэтому пока и не могли быть замечены. Таким образом, сейчас у физиков-теоретиков есть широкий ассортимент теорий объединения, застрахованных от опровержения на основании экспериментов в обозримом будущем. Само по себе Великое объединение между тем не решает проблемы с массой бозона Хиггса. Физикам приходится еще и суперсимметризовать Великое объединение. Мы знаем, что суперсимметрия — если это суперсимметрия природы — должна нарушаться при энергиях выше тех, что нами пока достигнуты, ведь мы еще не засекли суперсимметричных частиц. Но мы так пока и не знаем, при какой энергии симметрия восстанавливается — и происходит ли это вообще. Аргумент, согласно которому суперсимметрия должна придать массе бозона Хиггса естественность, подразумевает, что энергия, при которой суперсимметрия нарушается, на Большом адронном коллайдере должна быть уже достигнута. Добавление суперсимметрии к Великому объединению не только еще больше увеличивает число симметрий — дополнительное преимущество в том, что это приводит к небольшому продлению времени жизни протона. Так, некоторые варианты суперсимметричной SU 5 -модели и поныне держатся на грани жизнеспособности. Тем не менее основная причина для добавления суперсимметрии заключается в числовом совпадении, которое мы обсуждали в четвертой главе, — в объединении констант взаимодействий см.
Поиски суперсимметрии на коллайдере принесли новую интригу
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. Тогда ученые еще только обнаружили всевозможные виды таинственных лучей: рентгеновские, катодное излучение. Откуда они возникают, одинаковой ли природы их происхождение и, если да, то какова она? Сегодня мы имеем ответы на вопросы, позволяющие гораздо лучше понять происхождение Вселенной. Однако в самом начале XXI века перед нами стоят новые вопросы, ответы на которые ученые надеются получить с помощью ускорителя БАК. И кто знает, развитие каких новых областей человеческих знаний повлекут за собой предстоящие исследования. А пока же наши знания о Вселенной недостаточны.
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. 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.
Суперсимметрия же объединяет в единые мультиплеты бозоны вместе с фермионами. Согласно теории суперструн, у всех известных фермионов должны существовать предполагаемые суперпартнеры — бозоны, а у бозонов — фермионы. 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.
Всё нормально. Если все "красивые" гипотезы подтверждались, то давно всё было бы открыто, и, естественно, развитие на этом кончилось бы, и всё бы закончилось. И ничего не было бы больше.
Нобелевская премия по физике 2008 года. Нобелевская асимметрия
ОКО ПЛАНЕТЫ» Наука и техника» Новость дня» Крах теории суперсимметрии: большой адронный коллайдер ничего не нашел. Для завершения обоснования суперсимметрии природы инфраструктурной динамикой -позитрония в «условиях резонанса» остаётся напомнить о возможности представления. Возвращаясь к эпизоду "Теории большого взрыва", предлагаемым объяснением наблюдаемого в настоящее время несоответствия является суперсимметрия. Суперсимметрия является одним из основных кандидатов на роль новой теории в физике элементарных частиц за рамками Стандартной модели. Важные результаты в изучении низкоэнергетических следствий теории суперструн методами суперсимметричной теории поля получила в ходе цикла работ группа теоретиков из ОИЯИ. Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить вещество во взаимодействие, и суперсимметрии выдвигалась многими.
Физики в Копенгагене подвели итоги 15-летнего пари о теории суперсимметрии
Если рассмотреть квантовую электродинамику, то это теория с не очень большим, по сравнению с суперсимметрией, количеством симметрий. Во всех теориях суперсимметрии предполагается, что персимметрию уже на основе первых данных с БАК. 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. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. Суперсимметрия дает способ объединить электрослабое и сильные взаимодействия и в конечном счете создать единую теорию поля.
Большой адронный коллайдер подорвал позиции теории суперсимметрии
Данная теория позволяла ответить на вопрос, почему наша Вселенная имеет значительно большую массу, нежели ее дает сложение всех наблюдаемых в ней космических объектов. Сейчас ученые ЦЕРН сообщили, что не смогли обнаружить признаков этих тяжелых двойников. В последние месяцы они проводили на БАК опыты с В-мезоном.
В результате нарушения W- и Z-бозоны и некоторые другие частицы например, электроны приобретают массы. В рамках модели Янга — Миллса калибровочные бозоны нельзя сделать массивными, не разрушив калибровочную симметрию. Для нарушения электрослабой симметрии был придуман механизм Хиггса. Основная идея заключается в том, что все пространство пронизывает специальное хиггсовское поле, которое взаимодействует с остальными полями и нарушает симметрию, хотя уравнения теории остаются симметричными. Возмущения хиггсовского поля должны проявляться на эксперименте как новые частицы — хиггсовские бозоны.
Бозон Хиггса — очень тяжелая частица, тяжелее W- и Z-бозонов. Поэтому она пока не открыта экспериментально. Теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, тоже основана на уравнениях Янга — Миллса. Квантовая хромодинамика говорит, что многие элементарные частицы — мезоны и барионы например, протон — состоят из кварков. Однако изолированные кварки никогда не наблюдались это явление называется конфайнментом. Из-за сложности уравнений квантовой хромодинамики конфайнмент до сих пор не выведен из них напрямую. Кстати, решение уравнений Янга — Миллса и объяснение конфайнмента является одной из семи проблем тысячелетия, за которые институт Клэя назначил приз в миллион долларов.
Квантовая хромодинамика также находит подтверждение в ускорительных экспериментах. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий включает в себя модель электрослабых взаимодействий и квантовую хромодинамику. Стандартная модель оказалась в состоянии объяснить практически все экспериментальные данные, полученные к настоящему времени в физике элементарных частиц. Суперсимметрия Идея суперсимметрии Перед тем, как перейти к обсуждению суперсимметрии, рассмотрим понятие спина. Спин — это собственный момент импульса, присущий каждой частице. Он измеряется в единицах постоянной Планка и бывает целым или полуцелым. Спин является исключительно квантовомеханическим свойством, его нельзя представить с классической точки зрения.
Наивная попытка трактовать элементарные частицы как маленькие «шарики», а спин — как их вращение, противоречит специальной теории относительности, так как точки на поверхности шариков должны в таком случае двигаться быстрее света. Суперсимметрия — это симметрия между частицами с целым и полуцелым спином. Идея суперсимметрии была предложена в теоретических работах Гольфанда и Лихтмана, Волкова и Акулова, а также Весса и Зумино около 40 лет назад. Вкратце она заключается в построении теорий, уравнения которых не изменялись бы при преобразовании полей с целым спином в поля с полуцелым спином и наоборот. С тех пор были написаны тысячи статей, суперсимметризации были подвергнуты все модели квантовой теории поля, был разработан новый математический аппарат, позволяющий строить суперсимметричные теории. Стандартную модель фундаментальных взаимодействий, рассмотренную ранее, тоже можно сделать суперсимметричной. При этом решается ряд ее проблем.
Рассмотрим некоторые из них. Мотивировка суперсимметрии Несмотря на огромные успехи Стандартной модели в объяснении экспериментальных данных, она обладает рядом теоретических трудностей, которые не позволяют Стандартной модели быть окончательной теорией, описывающей наш мир. Оказывается, часть этих трудностей может быть преодолена при суперсимметричном расширении Стандартной модели. Объединение констант связи Гипотеза великого объединения, которой придерживаются многие физики, говорит, что различные фундаментальные взаимодействия есть проявления одного, более общего, взаимодействия. Это взаимодействие должно проявляться при огромных энергиях по различным оценкам, энергия великого объединения в 1013 или даже в 1016 раз превосходит энергию, доступную современным ускорителям элементарных частиц. При понижении энергии от объединенного взаимодействия «отщепляется» сначала гравитационное взаимодействие, потом сильное, а в завершение электрослабое взаимодействие распадается на слабое и электромагнитное. В Стандартной модели, однако, электрослабое и сильное взаимодействия объединены лишь формально.
Они могут оказаться разными проявлениями общего взаимодействия, а могут и не оказаться. Тем не менее, анализ экспериментальных результатов дает некоторые подсказки к вопросу о существовании великого объединения. У каждого из фундаментальных взаимодействий есть величина, которая характеризует его интенсивность. Эта величина называется константой взаимодействия. Константа электромагнитных взаимдействий просто равна заряду электрона. В случае сильных и слабых взаимодействий ситуация несколько сложнее. Одно из интересных свойств квантовой теории поля состоит в том, что константа взаимодействия на самом деле не константа — она меняется при изменении характерных энергий процессов с участием элементарных частиц, причем теория может предсказать характер этой зависимости.
В частности, это означает, что при приближении к электрону на расстояния, гораздо меньшие размеров атома, начинает меняться его заряд! Причем такое изменение, обусловленное квантовыми эффектами, подтверждено экспериментальными данными, например, небольшим изменением уровней энергии электронов в атоме водорода лэмбовский сдвиг. Константы электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий измерены с достаточной точностью для того, чтобы можно было вычислить их изменение с ростом энергии. Результаты изображены на рисунке. В Стандартной модели графики слева нет таких энергий, где произошло бы объединение констант взаимодействий. А в минимальном суперсимметричном расширении Стандартной модели графики справа такая точка имеется. Это значит, что суперсимметрия в физике элементарных частиц обладает приятным свойством — в ее рамках возможно великое объединение!
Объединение с гравитацией Стандартная модель не включает гравитационное взаимодействие. Оно совершенно незаметно в ускорительных экспериментах из-за малых масс элементарных частиц. Однако при больших энергиях гравитация может стать существенной. 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.
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. Тогда ученые еще только обнаружили всевозможные виды таинственных лучей: рентгеновские, катодное излучение. Откуда они возникают, одинаковой ли природы их происхождение и, если да, то какова она? Сегодня мы имеем ответы на вопросы, позволяющие гораздо лучше понять происхождение Вселенной.
Квантовая гравитация Современная физика имеет два основных научных закона: общую теорию относительности ОТО и квантовую. Они представляют совершенно разные области науки.
Квантовая физика изучает мельчайшие природные частицы, а ОТО, как правило, описывает природу в масштабах планет, галактик и вселенной в целом. Гипотезы, которые пытаются объединить их, называются теориями квантовой гравитации. Наиболее перспективной из них сегодня является струнная. Замкнутые нити соответствуют поведению силы тяжести. В частности, они обладают свойствами гравитона, частицы, переносящей гравитацию между объектами. Объединение сил Теория струн пытается объединить четыре силы — электромагнитную, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и гравитацию — в одну.
В нашем мире они проявляют себя как четыре различные явления, но струнные теоретики считают, что в ранней Вселенной, когда были невероятно высокие уровни энергии, все эти силы описываются струнами, взаимодействующими друг с другом. Суперсимметрия Все частицы во вселенной можно разделить на два типа: бозоны и фермионы. Теория струн предсказывает, что между ними существует связь, называемая суперсимметрией. При суперсимметрии для каждого бозона должен существовать фермион и для каждого фермиона — бозон. К сожалению, экспериментально существование таких частиц не подтверждено. Суперсимметрия является математической зависимостью между элементами физических уравнений.
Она была обнаружена в другой области физики, а ее применение привело к переименованию в теорию суперсимметричных струн или теория суперструн, популярным языком в середине 1970 годов. Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные. Без суперсимметрии уравнения приводят к физическим противоречиям, таким как бесконечные значения и воображаемые энергетические уровни. Поскольку ученые не наблюдали частицы, предсказанные суперсимметрией, она все еще является гипотезой. Эти частицы могли существовать в ранней вселенной, но так как она остыла, и после Большого взрыва энергия распространилась, эти частицы перешли на низкоэнергетические уровни. Другими словами, струны, вибрировавшие как высокоэнергетические частицы, утратили энергию, что превратило их в элементы с более низкой вибрацией.
Ученые надеются, что астрономические наблюдения или эксперименты с ускорителями частиц подтвердят теорию, выявив некоторые из суперсимметричных элементов с более высокой энергией. Дополнительные измерения Другим математическим следствием теории струн является то, что она имеет смысл в мире, число измерений которого больше трех. В настоящее время этому существует два объяснения: Дополнительные измерения шесть из них свернулись, или, в терминологии теории струн, компактифицировались до невероятно малых размеров, воспринять которые никогда не удастся. Мы застряли в 3-мерной бране, а другие измерения простираются вне ее и для нас недоступны. Важным направлением исследований среди теоретиков является математическое моделирование того, как эти дополнительные координаты могут быть связаны с нашими. Последние результаты предсказывают, что ученые в скором времени смогут обнаружить эти дополнительные измерения если они существуют в предстоящих экспериментах, так как они могут быть больше, чем ожидалось ранее.
Понимание цели Цель, к которой стремятся ученые, исследуя суперструны — «теория всего», т. В случае успеха она могла бы прояснить многие вопросы строения нашей вселенной.
Нобелевская премия по физике 2008 года. Нобелевская асимметрия
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. И в то время, как БАК тестирует всё более высокие энергии, не находя и следа суперсимметричных частиц, некоторые физики утверждают, что теория мертва.
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. Многомерное пространство Калаби-Яу В частности, суперсимметрия может укрепить теорию струн. Суперсимметрия часто описывается как трамплин для теории струн — чтобы она стала возможной, необходима некоторая версия суперсимметрии. Теория струн остается одним из ведущих кандидатов на «теорию всего», которая объединит всю физику. Тем не менее проверить ее экспериментально чрезвычайно трудно. Тем не менее открытие суперсимметрии по крайней мере даст апологетам теории струн знать, что они идут в правильном направлении. Как разлетаются бозоны Физики думают, что мы найдем доказательства суперсимметрии? Несмотря на десятилетия поисков, никто не нашел никаких доказательств суперсимметрии.
Впрочем, великие теории открывались не за два-три года.
Остальные три силы намного сильнее. Гравитация имеет крайне важное значение для физики, и ее поведение описывает общая теория относительности Эйнштейна. Стандартная модель также не может объяснить присутствие таинственного вещества под названием темная материя, которое удерживает галактики вместе. И не может объяснить, почему во Вселенной намного больше материи, чем антиматерии, хотя должно быть равное количество.
Суперсимметрия — это расширение Стандартной модели, которое могло бы помочь заполнить некоторые из этих недостатков. Она прогнозирует, что каждая частица в Стандартной модели может обладать пока не обнаруженным партнером. Это касается даже знакомых нам частиц вроде электронов. Суперсимметрия предсказывает, что у электронов есть партнеры «селектроны», у фотонов — «фотино» и так далее. Вот все пробелы в физике, которые может исправить суперсимметрия.
Хиггс, который физики наблюдали на БАК в 2012 году, намного легче, чем ожидалось. Стандартная модель предсказывает, что бозон Хиггса в триллионы раз тяжелее, чем тот, что наблюдали физики во время первого запуска БАК, как говорит Дон Линкольн, физик из Лаборатории Ферми. Будучи частицей, которая дает массу другим частицам, Хиггс должен быть очень тяжелым, поскольку взаимодействует с огромным числом частиц. Частицы-партнеры, предсказываемые суперсимметрией, могли бы поправить это. Если они существуют, эти дополнительные частицы отменяли бы вклад партнеров в массу Хиггса.
Ученые, работающие с детектором ATLAS, пытаются обнаружить рождение суперпартнеров, фиксируя рождение электронов и мюонов с потерей энергии. Таких событий фиксировалось еще меньше. Исследователям удалось исключить варианты теории, согласно которым масса суперпартнера глюона — глюино — меньше 700 гигаэлектронвольт. Вместе с тем, многие ученые полагают, что отсутствие признаков суперсимметрии в данных коллайдера не является дурным предзнаменованием для этой теории, которая сама по себе состоит из сотен разных вариантов, зависящих от сочетаний десятков возможных параметров. Его коллега, итальянский физик Томмазо Дориго полагает, что есть основания для беспокойства. Суперсимметрия должна нарушаться, чтобы суперпартнеры стали тяжелее «обычных» частиц.
Причем это нарушение должно происходить при той же энергии, при которой нарушается электрослабая симметрия, в точке, когда переносчики слабого взаимодействия — W- и Z-бозоны — становятся массивными, а переносчики электромагнитного — фотоны — остаются безмассовыми.
Экзамены суперсимметричной модели вселенной 1978
| [Перевод] Суперсимметрия не подтверждается экспериментами, и физики ищут новые идеи | Теория суперсимметрии выдвигалась многими физиками-теоретиками в качестве средства объяснения некоторых несоответствий в Стандартной модели Вселенной. |
| Суперсимметрия не подтверждается экспериментами, и физики ищут новые идеи | Нужно построить теорию, которая будет инвариантна относительно преобразований суперсимметрии, а также относительно. |
Суперсимметрия
| OFF: Большой адронный коллайдер нанес еще один удар теории суперсимметрии | Тем не менее этот вопрос был решен в начале 1980-х годов вместе с введением в теорию струн так называемой “суперсимметрии”. |
| Суперсимметрия | это... Что такое Суперсимметрия? | Чем больше мы исследуем теорию суперсимметрии, тем неотразимее она становится», — пишет специалист по физике элементарных частиц Дэн Хупер. |
Нобелевская премия по физике 2008 года. Нобелевская асимметрия
Для завершения обоснования суперсимметрии природы инфраструктурной динамикой -позитрония в «условиях резонанса» остаётся напомнить о возможности представления. Суперсимметрия предполагает удвоение (как минимум) числа известных элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров. Чем больше мы исследуем теорию суперсимметрии, тем неотразимее она становится», — пишет специалист по физике элементарных частиц Дэн Хупер. Знаменитая теория Суперсимметрии, объясняющая основы мироздания, не нашла подтверждения в ходе исследований в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на. Немногим более сорока лет назад появилась суперсимметрия – теория, в которой каждому существующему фермиону в пару полагается бозон, и наоборот. Лектор рассказывает о теории суперструн, голографических чёрных дырах, столкновениях параллельных вселенных и о других интересных явлениях.