С момента ввода в обиход теории суперсимметрии и до настоящего времени эта теория являлась лишь только неподтвержденной физической гипотезой.

Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. С момента ввода в обиход теории суперсимметрии и до настоящего времени эта теория являлась лишь только неподтвержденной физической гипотезой. Теория предсказывает наличие закона периодического изменения вероятности обнаружения частицы определённого сорта в зависимости от прошедшего с момента создания частицы.

Большой адронный коллайдер подорвал позиции теории суперсимметрии

Теория струн (теория суперструн) и суперсимметрия претендуют на роль Единой Теории Поля. Теория суперсимметрии предполагает, что физические законы должны оставаться неизменными при перестановке бозонных и фермионных частиц. Нужно построить теорию, которая будет инвариантна относительно преобразований суперсимметрии, а также относительно. Так что суперсимметрия должна нарушаться в том смысле, что отношения, предсказанные теорией суперсимметрии, не могут быть строгими.

«Вселенная удваивается»

Она предсказывает, что у каждой частицы есть свой суперпартнер и, по необычному совпадению, то же самое условие фактически устраняет тахион. Другая необычная особенность в том, что теория струн требует существования десяти пространственно-временных измерений. В настоящее время нам известно лишь четыре: глубина, высота, ширина и время. Хотя это похоже на серьезное препятствие, предлагалось уже несколько решений, и в настоящее время это все видится скорее необычной особенностью, нежели проблемой. Например, мы могли бы существовать в четырехмерном мире без какого-либо доступа к дополнительным измерениям. Однако различные компактификации привели бы к иным значениям физических констант и иным законам физики. М-теория Оставалась еще одна проблема, которая не давала покоя теоретикам струн того времени. Тщательная классификация показала существование пяти различных последовательных теорий струн, и было непонятно, почему природа должна выбирать одну из пяти.

И здесь в игру вступает М-теория. Во время второй революции струн в 1995 году физики предположили, что пять последовательных теорий струн на деле являются разными лицами уникальной теории, которая существует в одиннадцати пространственно-временных измерениях и называется М-теорией. Она включает каждую струнную теорию различных физических контекстов, при этом оставаясь рабочей для всех. Эта невероятно увлекательная картина привела большинство теоретических физиков к идее, что М-теория станет теорией всего — и она также математически более последовательна, чем все остальные предлагаемые теории.

И теория суперсимметрии является одним из лучших кандидатов на замену см.

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.

Физика на грани взрыва — Чем сейчас живет Fermilab? Сегодня наша программа нацелена немного на другую физику — коллайдерами мы больше не занимаемся. Одна из самых интересных областей — нейтрино. В настоящее время мы проводим несколько экспериментов по его изучению. Они нацелены на исследование взаимодействия нейтрино с веществом и нейтринными осцилляциями. Также мы начали работу по сооружению нейтринного эксперимента следующего поколения, названного LBNF , что в переводе на русский означает «Нейтринный эксперимент с большой базой». Стандартная модель сейчас более или менее оформилась. Когда построили LHC, перед физиками стояло две задачи — найти бозон Хиггса его нашли и подтвердить, что существует суперсимметрия. Вторая задача была, пожалуй, основной. Суперсимметрия, казалось бы, объясняет многое в физике элементарных частиц.

Но проблема в том, что ничего из того, что предсказали теоретики, в эксперименте не обнаружилось. Поэтому сейчас мы наблюдаем «кризис суперсимметрии». Несмотря на большое количество идей и публикаций, никто не знает, существует ли суперсимметрия и если да, то где ее искать. Может быть, необходима энергия в 10 раз большая, чем на LHC, а может быть — в 100 раз, а может быть, суперсимметрии вообще не существует. В конце 1990-х выяснилось, что у разных типов нейтрино разные массы. В действительности это высказывание не очень аккуратно. Более аккуратно физики говорят, что каждый тип нейтрино электронное, мюонное и тау представлен квантово-механической смесью трех массовых состояний — или, упрощая, смесью трех частиц. Мы пытаемся разобраться, как реально все устроено. Сначала мы производим нейтрино — хорошо сфокусированный протонный сгусток сбрасывается на мишень, из мишени вылетают пи-мезоны, которые при распаде рождают мюоны и нейтрино. После выхода из распадного тоннеля мюоны останавливаются, а нейтрино пролетают 800 км под землей, и маленькая часть из них регистрируется детектором.

Поскольку каждое нейтрино состоит из «частиц» с разными массами, которые двигаются с разными скоростями, то после пролета большого расстояния квантовомеханическое смешивание приводит к изменению типа нейтрино, осциллирующему с расстоянием. Это называется нейтринными осцилляциями. Цель нашего эксперимента — посмотреть, какое количество разных типов нейтрино мы реально регистрируем, разобраться с их массовыми состояниями и выяснить, как они смешиваются. Они же «бесплатные». Сейчас мы используем уже очень большой детектор — 14 килотонн, но поскольку взаимодействие нейтрино с веществом очень слабое, только очень маленький процент частиц регистрируется даже в таком большом детекторе. Его стоимость оценивается примерно в 3 млрд долларов. Сейчас мы находимся на этапе разработки проекта. LBNЕ подразумевает создание и установку детектора в 40 кт на глубине по 1,5 км и увеличение мощности пучка, с помощью которого производятся нейтрино, с 700 кВт до 1,2—2 МВт. Это огромная мощность! И вся эта мощность сконцентрирована в мишени для производства нейтрино, которая представляет собой маленький цилиндр длиной порядка метра и диаметром сантиметр.

При этом пучок сфокусирован в еще меньший размер, то есть плотность энергии еще выше. Параметры пучка и мишени выбраны так, что мишень находится на грани взрыва. Чем больше энергия, тем больше «открывательная» способность. Но максимальная энергия ограничена размерами ускорителя. Хотя intensity frontier эксперименты не могут доставить такую же детальную картину, как energy frontier, они могут видеть эффекты, которые недоступны экспериментам в energy frontier, проводя измерения редких процессов с очень высокой точностью. LHC успешно работает, и сейчас обсуждается возможность строительства установки еще большего размера. На данном этапе определенности нет, все упирается в стоимость.

Эти физики очень рассчитывали получить с помощью Большого адронного коллайдера первое экспериментальное подтверждение этой теории. Однако новое наблюдение, о котором было доложено на конференции по физике адронного коллайдера в Киото, противоречит многим моделям в рамках теории суперсимметрии. Теория суперсимметрии Гипотеза суперсимметрии была впервые сформулирована в 1973 году австрийским физиком Юлиусом Вессом и итальянским физиком Бруно Зумино и постулирует существование определенного рода симметрии между двумя основными классами частиц — бозонами и фермионами.

Фактически, гипотеза суперсимметрии позволяет при помощи преобразований связать воедино вещество и излучение. На сегодня эта гипотеза не была подтверждена экспериментально. 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.

Где же эти частицы-суперпартнёры?

Категории статьи
Нобелевский лауреат предположил открытие суперсимметрии: Космос: Наука и техника:
Суперсимметрия под вопросом
Загадка темной материи
Где же эти частицы-суперпартнёры?

Категории статьи

Суперсимметрия - Supersymmetry -
«Обнаруженные частицы Хиггса подтверждают теорию суперсимметрии»
СОДЕРЖАНИЕ
Теория суперсимметрии под угрозой

Нобелевская премия по физике 2008 года. Нобелевская асимметрия

Популярные материалы
Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной
Эксперимент на Большом адронном коллайдере опроверг современную теорию мироздания
Комментарии:
Вы точно человек?
🔸 Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной🔸 |

Поиски суперсимметрии на коллайдере принесли новую интригу

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.

Суперсимметрия, связывающая в природе все элементарные частицы и утверждающая, что они представляют собой, так сказать, суперзеркальные отражения одного и того же, в качестве гипотезы была предложена в начале семидесятых и очень хорошо описывала все происходящее в микромире. Даже исключения, называемые "нарушениями суперсимметрии", не столько огорчали, сколько раззадоривали физиков. Однако теория, за свою красоту многими воспринимаемая как истина в последней инстанции, все же осталась гипотезой, не подтвержденной прямыми экспериментами. Согласно ей, у каждой частицы существует "двойник".

Его очень трудно обнаружить, но не быть его не может.

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. Считалось, что такое нарушение происходит при энергиях около 250 гигаэлектронвольт. Однако результаты БАКа показывают, что «точка разрыва» находится выше этого значения. Теория допускает существование тяжелых суперсимметричных частиц, однако модели становятся слишком сложными. Кроме того, суперсимметричных теорий довольно много - и эти эксперименты затронули одну-две из них», - сказал он РИА «Новости».

Главное, проводить прецизионные измерения, которые позволяют увидеть отклонения от предсказаний Стандартной модели. По величине этих отклонений можно судить, где находится «новая физика». Если по косвенным измерениям окажется, что для наблюдения следующих событий нужны колоссально высокие энергии, недостижимые для современной науки, то строить что-то с энергией больше LHC необходимости нет. Если же будет видно, что такая энергия нам доступна, тогда человечество будет создавать установку следующего уровня. Я думаю, что сейчас лучше вкладываться в точные эксперименты на относительно низкой энергии. Это только мое мнение, его далеко не все разделяют. В нем с очень высокой точностью измеряется аномальный магнитный момент мюона. Это важно, так как сейчас мы наблюдаем расхождение между теорией и экспериментом. Замечу, что в теоретические предсказания аномального момента входит и вклад от сильного взаимодействия, который в настоящее время невозможно вычислить, основываясь на «чистой» теории. Обойти эти сложности можно, используя результаты других экспериментов.

ВЭПП-2000 — коллайдер Института ядерной физики СО РАН в Новосибирске — предоставил необходимую информацию об адронных взаимодействиях, которая используется в вычислениях аномального магнитного момента мюона. Другой эксперимент — Mu2e — нацелен на поиск безнейтринного распада мюона. Он использует то же самое накопительное кольцо, что и g-2, и начнется сразу после окончания g-2, примерно через два года. Согласно Стандартной модели, мюон распадается на два нейтрино и электрон или позитрон в случае положительно заряженного мюона. Когда я учился в университете, все было просто. Есть электрон, к нему привязано электронное нейтрино. Если у вас образовалось электронное нейтрино, вместе с ним должен образоваться электрон или позитрон в случае антинейтрино , но не может — мюон. А сейчас мы точно знаем, что принцип сохранения лептонного заряда нарушается в секторе нейтрино, а значит, и безнейтронный распад мюона, который запрещен законом сохранения лептонного заряда, возможен, хотя и с очень маленькой вероятностью. Мы ожидаем, что эксперимент достигнет чувствительности порядка 10-16, то есть мы сможем зарегистрировать один безнейтронный распад мюона на 1016 распадов мюона. Такой чувствительности невозможно достигнуть в коллайдерных экспериментах.

Но динамичнее всего развивается астрофизика. Если раньше все эксперименты в астрономии проводились при помощи телескопов и фотоаппаратов, то сейчас — при помощи компьютеров и цифровых изображений, и это стало стимулом колоссального прогресса. Теория от безысходности — По какому пути будет развиваться физика высоких энергий? Поэтому основные усилия будут направлены на прецизионные измерения, и LHC — один из самых главных участников. Один из важнейших вопросов к физике высоких энергий — существует ли темная материя. Мы «видим» ее в астрономических наблюдениях, но пока никто не увидел ее в прямых измерениях. Само по себе утверждение, что темная материя и энергия существуют, не является безальтернативным. В настоящее время мы не можем описать Вселенную в том виде, в котором мы ее наблюдаем, используя общую теорию относительности ОТО. Есть два пути. Первый — предположить, что уравнения ОТО здесь не работают.

Данные, полученные на БАК, поставили под сомнение теорию суперсимметрии

К примеру, ученым очень хотелось, но не удалось найти подтверждения суперсимметрии — теории о том, что у каждой элементарной частицы есть гораздо более тяжелый «суперпартнер». Немногим более сорока лет назад появилась суперсимметрия – теория, в которой каждому существующему фермиону в пару полагается бозон, и наоборот. Суперсимме́трия, или симме́трия Фе́рми — Бо́зе, — гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает. Левин Б.М. Реализация суперсимметрии в атоме дальнодействия и конфайнмент, барионная асимметрия, тёмная материя/тёмная энергия.

Теория суперструн популярным языком для чайников

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. К примеру, из частиц-суперпартнеров могла бы получиться темная материя», — говорит Уильям Сатклифф, доктор философии Имперского колледжа в Лондоне.

В настоящее время мы не можем описать Вселенную в том виде, в котором мы ее наблюдаем, используя общую теорию относительности ОТО. Есть два пути. Первый — предположить, что уравнения ОТО здесь не работают.

Но это не так просто, если вы хотите удовлетворить «эстетические» требования к теории. Это одно из направлений исследований. Второй путь — внести в существующее описание Вселенной темную материю и темную энергию. Для многих это выглядит более привлекательно, и поэтому большая часть ученых поддерживает второй выбор. Вопрос, кто прав, должен быть разрешен экспериментом. Физика — наука экспериментальная, поэтому, если темная материя существует, значит, мы должны ее найти. На данный момент в мире проводятся более десяти экспериментов по поиску темной материи, но результата пока нет. Но и вопрос техники, конечно, тоже.

Это как с гравитационными волнами. Чувствительность улучшалась на протяжении многих лет, и когда был достигнут порог, результаты вдруг посыпались как из рога изобилия. До этого, в 1990-х, в Fermilab был открыт т-кварк. Главные задачи на ближайшее время для науки — придумать механизм, который бы объяснил наличие массы у нейтрино, а также включить гравитацию в «новую модель мира». Замечу также, что даже в обычной квантовой механике и физической оптике по-прежнему много актуальных не отвеченных вопросов. Можно ли делать интересную физику на маленьких машинах? Но в основном все простые эксперименты уже проведены, и, если говорить про физику частиц, получение большой энергии подразумевает большой масштаб. Зачем строить такие установки на территории своей страны, если можно изучать физику у соседей?

Также им повезло, что они находятся в «правильном месте». ОИЯИ является международной организацией, и им проще организовать международную коллаборацию, без которой создание установки такого класса было бы гораздо труднее. Если же говорить о том, зачем строить установки такого класса у себя, то, во-первых, это вопрос престижа государства. Во-вторых, если хочешь пользоваться плодами мировой науки, необходимо развивать ее у себя. Ученые работают все вместе — если кто-то предложил интересную идею, об этом становится известно всем, но реализует ее лишь тот, у кого есть не только интеллект, но и средства. Наука похожа на спорт, и, если у тебя нет амбиций, трудно чего-то добиться. Развитие фундаментальной науки очень важно. Если вы хотите, чтобы в вашей стране были профессора мирового уровня — необходимо, чтобы они работали именно у вас, а не в CERN.

Потому что, если в ваших вузах преподают лучшие профессора, у вас и студенты будут соответствующие. Например, мое поколение получило фантастически хорошее образование. Я скорее отрицательно отношусь к рейтинговой системе оценок университетов, потому что она ориентирована на «западный» стиль организации науки, в котором тоже есть проблемы. Мне кажется более привлекательным способ организации науки как в Новосибирском Академгородке в Советском Союзе, где университет и научные институты были единым целым. Насколько я понимаю, эта система действует до сих пор. Лучшее учебное заведение в районе Fermilab — Чикагский университет — в одном часе езды на автомобиле, и то если повезет с трафиком. Также до недавнего времени к нам на стажировку приезжали ребята из России. Для них это хороший опыт, и для нас польза.

Как это получилось? По результатам экспериментов я защитил кандидатскую диссертацию.

И всякий раз, когда прежде разрозненные эффекты получали объяснение в рамках общей теории, новые открытия и применения не заставляли себя долго ждать: приливы вызываются Луной, энергию можно использовать для охлаждения, колебательные контуры служат источниками электромагнитного излучения. В конце XIX века физики заметили, что атомы способны испускать и поглощать только свет с определенными длинами волн, но объяснения наблюдавшимся регулярностям ученые дать не могли. Чтобы с этим разобраться, они разработали квантовую механику, которая объяснила не только атомные спектры, но и большинство свойств химических элементов. К 1930-м годам физики выяснили, что все атомы имеют ядро, состоящее из меньших частиц — нейтронов и протонов — и окруженное электронами. На стезе редукционизма это стало еще одной вехой.

Следующим шагом в истории объединения Эйнштейн примирил пространство и время и получил специальную теорию относительности, после чего свел воедино гравитацию и специальную теорию относительности, создав общую теорию относительности. В итоге возникла необходимость избавиться от противоречий между квантовой механикой и специальной теорией относительности, что привело к благополучному рождению квантовой электродинамики. Полагаю, примерно на этом этапе наши теории были самыми простыми. Но уже тогда физики знали о радиоактивном распаде — явлении, которое даже квантовая электродинамика объяснить не могла. Ответственность за распады возложили на новое, слабое взаимодействие, добавив его в теорию. Затем коллайдеры достигли энергий, достаточно высоких для того, чтобы нащупать сильное ядерное взаимодействие, — и на физиков обрушился «зоопарк» элементарных частиц см. Это временное приращение сложности быстро пресекли теория сильного ядерного взаимодействия и объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое, поскольку выяснилось, что большинство из той лавины частиц составные — собраны из всего лишь двадцати четырех частиц, которые уже нельзя разложить на части.

Эти двадцать четыре частицы с бозоном Хиггса, добавившимся позже, их стало в итоге двадцать пять остаются элементарными и сегодня, и Стандартная модель плюс общая теория относительности до сих пор объясняют все наблюдения. Мы несколько оживили их темной материей и темной энергией, но, поскольку у нас нет никаких данных о микроскопической структуре этих темных лошадок, в настоящее время их трудно увязать всех вместе. Объединение, однако, шло столь успешно, что физики считали логичным следующим шагом появление теории Великого объединения. Группа содержит все преобразования, которые не изменят теорию, при условии что соблюдается симметрия. Группа симметрии круга, например, состоит из всех вращений вокруг его центра и обозначается как U 1. Пока в нашей дискуссии о симметрии мы обсудили лишь симметрии уравнений, законов природы. Однако наблюдаемое нами описывается не самими уравнениями, а их решениями.

И сам по себе факт, что уравнение обладает симметрией, совершенно не означает, что решения этого уравнения обладают той же симметрией. Представьте себе волчок, крутящийся на столе рис. Окружающая его обстановка одинакова по всем направлениям, параллельным поверхности стола, значит, уравнения движения обладают вращательной симметрией относительно любой оси, перпендикулярной столешнице. Когда волчок закручивают, его движение сопровождается уменьшением момента импульса из-за трения. Поначалу волчок действительно подчиняется вращательной симметрии, но в конце концов он заваливается на сторону и останавливается. После этого его ось указывает уже в одном каком-то направлении. Мы говорим, что симметрия «нарушилась».

Подобное спонтанное нарушение симметрии — обычное дело в фундаментальных законах природы. Как иллюстрирует пример с волчком, будет ли система подчиняться симметрии — может зависеть от энергии системы. Волчок, пока обладает достаточной кинетической энергией, симметрии подчиняется.

Однако наблюдаемое нами описывается не самими уравнениями, а их решениями. И сам по себе факт, что уравнение обладает симметрией, совершенно не означает, что решения этого уравнения обладают той же симметрией. Представьте себе волчок, крутящийся на столе рис. Окружающая его обстановка одинакова по всем направлениям, параллельным поверхности стола, значит, уравнения движения обладают вращательной симметрией относительно любой оси, перпендикулярной столешнице.

Когда волчок закручивают, его движение сопровождается уменьшением момента импульса из-за трения. Поначалу волчок действительно подчиняется вращательной симметрии, но в конце концов он заваливается на сторону и останавливается. После этого его ось указывает уже в одном каком-то направлении. Мы говорим, что симметрия «нарушилась». Подобное спонтанное нарушение симметрии — обычное дело в фундаментальных законах природы. Как иллюстрирует пример с волчком, будет ли система подчиняться симметрии — может зависеть от энергии системы. Волчок, пока обладает достаточной кинетической энергией, симметрии подчиняется.

И только когда на трение растрачивается существенное количество энергии, симметрия нарушается. То же относится и к фундаментальным симметриям. Энергии, с которыми мы обычно имеем дело в повседневной жизни, определяются температурой окружающей нас среды. С точки зрения физики элементарных частиц эти энергии ничтожны. При такой низкой энергии, соответствующей комнатной температуре, большинство фундаментальных симметрий нарушаются. При высоких же энергиях они способны восстанавливаться. 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.

[Перевод] Суперсимметрия не подтверждается экспериментами, и физики ищут новые идеи

Я остановлюсь в этой статье на современных теориях физики элементарных частиц, на некоторых идеях и следствиях этих теорий. Среди рассмотренных тем следующие: Стандартная модель фундаментальных взаимодействий описывает практически все экспериментальные данные в физике элементарных частиц , ее достоинства и недостатки, решение многих проблем Стандартной модели при ее суперсимметричном обобщении, некоторые особенности минимальной суперсимметричной Стандартной модели МССМ , экспериментальный статус суперсимметрии. Я постарался вести рассказ максимально популярно, поэтому пришлось отказаться от математической строгости. Однако кое-где предполагается, что хабралюди, все-таки, еще помнят школьную математику и физику. Без этого было бы затруднительно, если вообще возможно, изложить часть понятий и идей.

Теоретические основы физики элементарных частиц Физика элементарных частиц — одна из немногих областей человеческого знания, где удалось проникнуть глубже всего в тайны материи и объяснить ее свойства. До сих пор сокращение числа законов, описывающих мир, было одной из основных тенденций при построении научных теорий. При этом главной целью всегда оставалось и остается построение единой теории поля, которая бы объединила все знания человечества о природе, и из которой можно было бы вывести хотя бы в принципе все законы как частные случаи такой теории. Фундаментальные взаимодействия В настоящее время известно четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Первые два обладают дальнодействием и проявляются в повседневной жизни. Гравитация, например, управляет движением небесных тел. Все мы испытываем гравитационное притяжение Земли. Электромагнетизм объясняет большинство явлений, с которыми сталкивается человек в повседневной жизни.

Два других взаимодействия короткодействующие. Они проявляются только на масштабах атомного ядра объясняют альфа- и бета-распад и становятся определяющими на более мелких масштабах. В микромире ключевую роль играют квантовые свойства частиц. Для описания фундаментальных взаимодействий, однако, недостаточно обычной квантовой механики.

Во-первых, квантовая механика является нерелятивистской теорией, то есть она верна для малых скоростей по сравнению со скоростью света. Во-вторых, квантовая механика не описывает процессы рождения и уничтожения частиц, которые происходят при взаимодействии частиц высоких энергий. Релятивистским обобщением согласующимся с идеями специальной теории относительности квантовой механики является квантовая теория поля. Квантовая теория поля В квантовополевых теориях частицы материи являются «квантами» возмущениями соответствующих полей.

Взаимодействие между частицами переносится специальными полями. Предполагается, что частицы материи в процессе взаимодействия испускают и поглощают другие частицы — кванты поля-переносчика. Первый успешный пример квантовой теории поля — квантовая электродинамика — был построен в работах Фейнмана, Швингера и Томонаги в середине двадцатого века, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1965 году. Квантовая электродинамика рассматривает взаимодействие между заряженными частицами например, электронами и позитронами , возникающее вследствие обмена фотонами — квантами электромагнитного поля.

Вплоть до настоящего времени квантовая электродинамика остается самой точной физической теорией. Симметрия в физике элементарных частиц Под симметрией физики понимают неизменность чего-либо при выполнении определенных преобразований. При этом большую роль играет симметрия законов, или уравнений. В физике симметрии играют двоякую роль.

Во-первых, каждому типу симметрии физической системы соответствует сохраняющаяся величина. Во-вторых, от новых физических теорий можно требовать выполнения различных симметрий. Чем больше таких требований — тем меньше произвол в построении теории. Примером физической теории, обладающей симметрией, является обычная квантовая механика, оперирующая волновыми функциями.

Волновая функция частицы — это комплексная функция, например, пространственных координат грубо говоря, комплексное число в каждой точке. Ее можно рассчитать из уравнения Шрёдингера. Физический смысл имеет не сама волновая функция, а квадрат ее модуля, который показывает вероятность нахождения частицы в каком-либо месте. Если все волновые функции умножить на одно и то же комплексное число с модулем 1, никакие предсказания теории не изменятся.

Действительно, модуль произведения комплексных чисел равен произведению модулей, и от такого домножения никакие вероятности не изменяются. Это пример так называемой глобальной симметрии глобальной — потому, что волновая функция умножалась в разных точках на одно и то же число. Суть этой симметрии заключается в том, что теория не изменяется относительно некоторого класса преобразований в нашем случае эти преобразования — умножение на произвольное комплексное число с модулем, равным 1. Квантовая электродинамика обладает симметрией относительно преобразований, называемых калибровочными.

Эти преобразования заключаются в домножении поля электронов на комплексное число с модулем 1 правда, чтобы теория не изменялась, одновременно с преобразованием поля электронов нужно выполнить и некоторые другие преобразования электромагнитного поля. В отличие от рассмотренного выше случая квантовой механики, это число уже может быть в каждой точке различным локальная симметрия. Интересно отметить следующий момент. Как было сказано выше, с каждой симметрией связана сохраняющаяся величина.

В случае калибровочных преобразований квантовой электродинамики такой сохраняющейся величиной является обычный электрический заряд. В пятидесятых годах Янг и Миллс построили модель, уравнения которой не менялись под действием более сложных локальных калибровочных преобразований. Сначала интерес был исключительно математическим. Однако потом на основе теории Янга — Миллса были созданы основные теории взаимодействия элементарных частиц — теория электрослабых взаимодействий и квантовая хромодинамика.

Эти теории, обладающие калибровочной симметрией, получили экспериментальное подтверждение. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий В шестидесятых годах удалось объединить электромагнетизм и слабые взаимодействия. Салам, Глэшоу и Вайнберг построили теорию электрослабых взаимодействий. В 1979 году им была присуждена Нобелевская премия.

Новая теория предсказала существование новых частиц, так называемых W- и Z-бозонов. Они отвечают за «перенос» слабого взаимодействия. Эти бозоны были открыты на протонном суперсинхротроне в 1983 году. Казалось бы, каким образом можно объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, если у первых радиус взаимодействия бесконечен действительно, мы видим свет — электромагнитное излучение — от удаленных галактик и других астрономических объектов , а у вторых он не превышает размеры атомного ядра?

Оказывается, такая «несимметричность» связана с тем, что масса фотонов равна нулю, а масса W- и Z-бозонов очень большая, они примерно в 100 раз тяжелее протона.

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. 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 исключать ее — 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.

Чем больше энергия, тем больше «открывательная» способность. Но максимальная энергия ограничена размерами ускорителя. Хотя intensity frontier эксперименты не могут доставить такую же детальную картину, как energy frontier, они могут видеть эффекты, которые недоступны экспериментам в energy frontier, проводя измерения редких процессов с очень высокой точностью.

LHC успешно работает, и сейчас обсуждается возможность строительства установки еще большего размера. На данном этапе определенности нет, все упирается в стоимость. Решение может быть принято как через 5 лет, так и через 50. Для понимания: мы говорим про установки, стоимость которых колеблется в пределах от 5 до 20 млрд долларов и которые потребляют 0,5—1ГВт. Даже по меркам физики высоких энергий — это огромные затраты. Если мы делаем машину на порядок больше по энергии, то потребляемая мощность и стоимость будут в три-четыре раза выше. Гигаватт энергии расходует солидный город.

А стоимость также зависит от того, что учитывать. В американской системе подсчета, которая учитывает все, стоимость будет раза в два больше, чем в европейской. В CERN финансирование фиксировано правительствами европейских стран. На этот бюджет они ничего заметно большего, чем LHC, построить не могут. До сих пор стоимости были более или менее посильными. Tevatron в современных деньгах стоит шесть млрд долларов, у LHC — сопоставимая цифра. LHC в четыре раза длиннее, но за счет развития технологий, массового производства и накопленного опыта стоимость LHC получилась дешевле на метр, однако полные стоимости сопоставимы.

Если говорить про строительство следующей машины, на мой взгляд, правильно было бы вкладываться в эксперименты с высокой светимостью. Их можно проводить на LHC его параметры позволяют это сделать , можно создавать новые установки на гораздо меньших энергиях. Главное, проводить прецизионные измерения, которые позволяют увидеть отклонения от предсказаний Стандартной модели. По величине этих отклонений можно судить, где находится «новая физика». Если по косвенным измерениям окажется, что для наблюдения следующих событий нужны колоссально высокие энергии, недостижимые для современной науки, то строить что-то с энергией больше LHC необходимости нет. Если же будет видно, что такая энергия нам доступна, тогда человечество будет создавать установку следующего уровня. Я думаю, что сейчас лучше вкладываться в точные эксперименты на относительно низкой энергии.

Это только мое мнение, его далеко не все разделяют. В нем с очень высокой точностью измеряется аномальный магнитный момент мюона. Это важно, так как сейчас мы наблюдаем расхождение между теорией и экспериментом. Замечу, что в теоретические предсказания аномального момента входит и вклад от сильного взаимодействия, который в настоящее время невозможно вычислить, основываясь на «чистой» теории. Обойти эти сложности можно, используя результаты других экспериментов. ВЭПП-2000 — коллайдер Института ядерной физики СО РАН в Новосибирске — предоставил необходимую информацию об адронных взаимодействиях, которая используется в вычислениях аномального магнитного момента мюона. Другой эксперимент — Mu2e — нацелен на поиск безнейтринного распада мюона.

Он использует то же самое накопительное кольцо, что и g-2, и начнется сразу после окончания g-2, примерно через два года. Согласно Стандартной модели, мюон распадается на два нейтрино и электрон или позитрон в случае положительно заряженного мюона. Когда я учился в университете, все было просто. Есть электрон, к нему привязано электронное нейтрино. Если у вас образовалось электронное нейтрино, вместе с ним должен образоваться электрон или позитрон в случае антинейтрино , но не может — мюон. А сейчас мы точно знаем, что принцип сохранения лептонного заряда нарушается в секторе нейтрино, а значит, и безнейтронный распад мюона, который запрещен законом сохранения лептонного заряда, возможен, хотя и с очень маленькой вероятностью.

В отличие от рассмотренного выше случая квантовой механики, это число уже может быть в каждой точке различным локальная симметрия. Интересно отметить следующий момент.

Как было сказано выше, с каждой симметрией связана сохраняющаяся величина. В случае калибровочных преобразований квантовой электродинамики такой сохраняющейся величиной является обычный электрический заряд. В пятидесятых годах Янг и Миллс построили модель, уравнения которой не менялись под действием более сложных локальных калибровочных преобразований. Сначала интерес был исключительно математическим. Однако потом на основе теории Янга — Миллса были созданы основные теории взаимодействия элементарных частиц — теория электрослабых взаимодействий и квантовая хромодинамика. Эти теории, обладающие калибровочной симметрией, получили экспериментальное подтверждение. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий В шестидесятых годах удалось объединить электромагнетизм и слабые взаимодействия. Салам, Глэшоу и Вайнберг построили теорию электрослабых взаимодействий.

В 1979 году им была присуждена Нобелевская премия. Новая теория предсказала существование новых частиц, так называемых W- и Z-бозонов. Они отвечают за «перенос» слабого взаимодействия. Эти бозоны были открыты на протонном суперсинхротроне в 1983 году. Казалось бы, каким образом можно объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, если у первых радиус взаимодействия бесконечен действительно, мы видим свет — электромагнитное излучение — от удаленных галактик и других астрономических объектов , а у вторых он не превышает размеры атомного ядра? Оказывается, такая «несимметричность» связана с тем, что масса фотонов равна нулю, а масса W- и Z-бозонов очень большая, они примерно в 100 раз тяжелее протона. Нарушение так называемой электрослабой симметрии является важным свойством теории электрослабых взаимодействий этой симметрией обладают уравнения теории. В результате нарушения W- и Z-бозоны и некоторые другие частицы например, электроны приобретают массы.

В рамках модели Янга — Миллса калибровочные бозоны нельзя сделать массивными, не разрушив калибровочную симметрию. Для нарушения электрослабой симметрии был придуман механизм Хиггса. Основная идея заключается в том, что все пространство пронизывает специальное хиггсовское поле, которое взаимодействует с остальными полями и нарушает симметрию, хотя уравнения теории остаются симметричными. Возмущения хиггсовского поля должны проявляться на эксперименте как новые частицы — хиггсовские бозоны. Бозон Хиггса — очень тяжелая частица, тяжелее W- и Z-бозонов. Поэтому она пока не открыта экспериментально. Теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, тоже основана на уравнениях Янга — Миллса. Квантовая хромодинамика говорит, что многие элементарные частицы — мезоны и барионы например, протон — состоят из кварков.

Однако изолированные кварки никогда не наблюдались это явление называется конфайнментом. Из-за сложности уравнений квантовой хромодинамики конфайнмент до сих пор не выведен из них напрямую. Кстати, решение уравнений Янга — Миллса и объяснение конфайнмента является одной из семи проблем тысячелетия, за которые институт Клэя назначил приз в миллион долларов. Квантовая хромодинамика также находит подтверждение в ускорительных экспериментах. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий включает в себя модель электрослабых взаимодействий и квантовую хромодинамику. Стандартная модель оказалась в состоянии объяснить практически все экспериментальные данные, полученные к настоящему времени в физике элементарных частиц. Суперсимметрия Идея суперсимметрии Перед тем, как перейти к обсуждению суперсимметрии, рассмотрим понятие спина. Спин — это собственный момент импульса, присущий каждой частице.

Он измеряется в единицах постоянной Планка и бывает целым или полуцелым. Спин является исключительно квантовомеханическим свойством, его нельзя представить с классической точки зрения. Наивная попытка трактовать элементарные частицы как маленькие «шарики», а спин — как их вращение, противоречит специальной теории относительности, так как точки на поверхности шариков должны в таком случае двигаться быстрее света. Суперсимметрия — это симметрия между частицами с целым и полуцелым спином. Идея суперсимметрии была предложена в теоретических работах Гольфанда и Лихтмана, Волкова и Акулова, а также Весса и Зумино около 40 лет назад. Вкратце она заключается в построении теорий, уравнения которых не изменялись бы при преобразовании полей с целым спином в поля с полуцелым спином и наоборот. С тех пор были написаны тысячи статей, суперсимметризации были подвергнуты все модели квантовой теории поля, был разработан новый математический аппарат, позволяющий строить суперсимметричные теории. Стандартную модель фундаментальных взаимодействий, рассмотренную ранее, тоже можно сделать суперсимметричной.

При этом решается ряд ее проблем. Рассмотрим некоторые из них. Мотивировка суперсимметрии Несмотря на огромные успехи Стандартной модели в объяснении экспериментальных данных, она обладает рядом теоретических трудностей, которые не позволяют Стандартной модели быть окончательной теорией, описывающей наш мир. Оказывается, часть этих трудностей может быть преодолена при суперсимметричном расширении Стандартной модели. 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!

Физики в Копенгагене подвели итоги 15-летнего пари о теории суперсимметрии

Такая точка зрения может заменить нынешнее объяснение об устройстве Вселенной, Стандартной модели, разработанной в 1970-х годах, но в ней есть пробелы, которые включают гравитацию. Поиск SUSY, или доказать что его не существует, является частью программы подземного ускорителя, где частицы сталкиваются с околосветовой скоростью и создают миллиарды взрывов, наподобие первобытного Большого взрыва. Рольф Хойер, генеральный директор ЦЕРН, регулярно включает его в качестве одной из целей «новой физики» для ускорителя. Но в некоторых прогнозах, перед тем, как гигантская машина начала свою работу в марте 2010 предполагалось, что сигналы SUSY окажутся быстрее.

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 исключать ее — 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.

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.

LHC себя ещё покажет. Дейвид Эванс из Бирмингемского университета, работающий в CERN, где коллайдер, говорил, что многие вообще не верили в сам принцип действия этого чуда физики Всё путём..

С теорией суперсимметрии придётся расстаться

Киральная симметрия (от греч. cheir — рука) — инвариантность уравнений квантовой теории поля относительно преобразований, перемешивающих состояния частиц как с различными. В новостях можно иногда встретить утверждение, что отрицательные данные LHC ставят крест на идее суперсимметрии. На днях теория суперсимметрии получила еще один удар от Большого адронного коллайдера (БАК).

Новости теория суперсимметрии