Немногим более сорока лет назад появилась суперсимметрия – теория, в которой каждому существующему фермиону в пару полагается бозон, и наоборот. Суперсимметрия, возникшая независимо в теории струн, «убила» тахион.
Где же эти частицы-суперпартнёры?
- Суперсимметрия в свете данных LHC: что делать дальше?
- Гляжусь, как в зеркало: есть ли шансы у суперсимметрии?
- Суперсимметрия и проблема калибровочной иерархии / Хабр
- Категории статьи
- Теория суперструн популярным языком для чайников
Суперсимметрия в свете данных LHC: что делать дальше?
Теория суперсимметрии выдвигалась многими физиками-теоретиками в качестве средства объяснения некоторых несоответствий в Стандартной модели Вселенной. Суперсимметрия доминировала над физикой частиц десятилетиями, и исключила почти все альтернативные физические теории, выходившие за рамки СМ. Это удар по суперсимметрии, который, однако, не сбрасывает теорию со счетов. Тем не менее этот вопрос был решен в начале 1980-х годов вместе с введением в теорию струн так называемой “суперсимметрии”. Суперсимметрия предполагает удвоение (как минимум) числа известных элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров.
Крах теории суперсимметрии: большой адронный коллайдер ничего не нашел
Это набор уравнений, который описывает, как все известные элементарные частицы взаимодействуют с четырьмя фундаментальными силами: сильным и слабым взаимодействием, электромагнетизмом и гравитацией. Стандартная модель отлично связывает первые три из этих четырех фундаментальных сил, но не касается гравитации. Гравитация настолько слабая сила, что даже игрушечный магнит может ее побороть. 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. Суперсимметрия может объяснить, почему бозон Хиггса такой легкий Несмотря на то, что Стандартная модель предсказала существование бозона Хиггса, его обнаружение проделало еще одну трещину в теории.
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.
Она объединяет три фундаментальных взаимодействия при высоких энергиях.
И, самое большое преимущество,— она решает загадку физики под названием «проблема калибровочной иерархии». Загадка связана с несоразмерностью гравитации и слабым ядерным взаимодействием, которое в 100 миллионов триллионов триллионов 1032 раз сильнее, и действует на гораздо меньших масштабах, управляя взаимодействием внутри атомного ядра. Частицы, переносящие слабое взаимодействие, W и Z-бозоны, получают массу из хиггсовского поля, поля энергии, пропитывающего пространство. Но непонятно, почему энергия поля Хиггса, и соответственно массы W и Z-бозонов, такие небольшие. Поскольку другие частицы связаны с полем Хиггса, их энергии должны влиться в него в момент квантовых флюктуаций.
Это должно сильно поднять энергию хиггсовского поля, делая W и Z-бозоны более массивными и приводя к тому, что слабое взаимодействие ослабеет до уровня гравитации. Суперсимметрия решает проблему иерархии, предполагая наличие суперпартнёра-близнеца для каждой элементарной частицы. Согласно теории, у фермионов, из которых состоит материя, есть суперпартнёры-бозоны, переносящие взаимодействия, а у существующих бозонов есть суперпартнёры-фермионы. Поскольку типы частиц и их суперпартнёров противоположны, вклады их энергии в хиггсовское поле обладают противоположными знаками — один его увеличивает, второй уменьшает. Вклады пар взаимоуничтожаются, и никаких катастроф не происходит.
А в качестве бонуса один из неоткрытых суперпартнёров может быть составной частью тёмной материи. Со временем, поскольку суперпартнёры не появились, суперсимметрия стала менее красивой.
Но когда мы пытаемся рассчитать взаимодействия этих гравитонов, появляются бессмысленные бесконечности в уравнениях. Полноценная теория гравитации должна быть рабочей в любых масштабах и принимать во внимание квантовую природу фундаментальных частиц. Это позволило бы уместить гравитацию в объединенной структуре с тремя другими фундаментальными взаимодействиями, тем самым создав пресловутую теорию всего. Конечно, с тех пор, как умер Альберт Эйнштейн в 1955 году, был проделан значительный прогресс в этой области. Наш лучший кандидат сегодня носит имя M-теории. Революция струн Чтобы понять основную идею М-теории, нужно вернуться в 1970-е годы, когда ученые поняли, что вместо того, чтобы описывать вселенную, основываясь на точечных частицах, их лучше было бы описывать в виде осциллирующих струн энергетических трубочек. Новый способ осмысления фундаментальных составляющих природы привел к решению многих теоретических проблем. Прежде всего, отдельное колебание струны можно интерпретировать как гравитон.
И в отличие от стандартной теории гравитации, теория струн может описывать его взаимодействия математически и не получать странных бесконечностей. Значит, гравитацию можно будет включить в объединенную структуру. После этого волнительного открытия физики-теоретики приложили много усилий, чтобы осознать его последствия. Но, как это часто случается с научными исследованиями, история теории струн полна взлетов и падений.
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. 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.
Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной
Теория суперсимметрии основывается на стандартной модели физики, которая включает гравитацию и объясняет существование темной материи и темной энергии. Причём из теории суперсимметрии следует существование новых частиц — аналогов уже известных элементарных частиц. Знаменитая теория Суперсимметрии, объясняющая основы мироздания, не нашла подтверждения в ходе исследований в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на. Так же существуют и более классические теории, согласно которым бозон Хиггса является сложной частицей, основанной на новом типе симметрии, суперсимметрии. Суперсимме́трия, или симме́трия Фе́рми — Бо́зе, — гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает.
Супер ассиметричная модель вселенной попович
Суперсимметрия дает способ объединить электрослабое и сильные взаимодействия и в конечном счете создать единую теорию поля. Нужно построить теорию, которая будет инвариантна относительно преобразований суперсимметрии, а также относительно. Суперсимметрия предполагает удвоение (как минимум) числа известных элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров. Это удар по суперсимметрии, который, однако, не сбрасывает теорию со счетов. Суперсимметрия, возникшая независимо в теории струн, «убила» тахион. Важное предсказание суперсимметрии – существование суперрасширения теории гравитации, супергравитации, и суперсимметричного партнера гравитона – гравитино, частицы со спином 3/2.
Экзамены суперсимметричной модели вселенной 1978
Суперсимметрия часто описывается как трамплин для теории струн — чтобы она стала возможной, необходима некоторая версия суперсимметрии. Супервремя — понятие, возникшее как «игрушечная модель» в суперсимметричной теории поля — одномерный слепок суперпространства. Напр., в теории С. происходит сокращение бесконечностей, которые присущи всем релятивистским теориям и представляют проблему, особенно в квантовой гравитации.
Поиски суперсимметрии на коллайдере принесли новую интригу
Загадка связана с несоразмерностью гравитации и слабым ядерным взаимодействием, которое в 100 миллионов триллионов триллионов 1032 раз сильнее, и действует на гораздо меньших масштабах, управляя взаимодействием внутри атомного ядра. Частицы, переносящие слабое взаимодействие, W и Z-бозоны, получают массу из хиггсовского поля, поля энергии, пропитывающего пространство. Но непонятно, почему энергия поля Хиггса, и соответственно массы W и Z-бозонов, такие небольшие. Поскольку другие частицы связаны с полем Хиггса, их энергии должны влиться в него в момент квантовых флюктуаций. Это должно сильно поднять энергию хиггсовского поля, делая W и Z-бозоны более массивными и приводя к тому, что слабое взаимодействие ослабеет до уровня гравитации. Суперсимметрия решает проблему иерархии, предполагая наличие суперпартнёра-близнеца для каждой элементарной частицы.
Согласно теории, у фермионов, из которых состоит материя, есть суперпартнёры-бозоны, переносящие взаимодействия, а у существующих бозонов есть суперпартнёры-фермионы. Поскольку типы частиц и их суперпартнёров противоположны, вклады их энергии в хиггсовское поле обладают противоположными знаками — один его увеличивает, второй уменьшает. Вклады пар взаимоуничтожаются, и никаких катастроф не происходит. А в качестве бонуса один из неоткрытых суперпартнёров может быть составной частью тёмной материи. Со временем, поскольку суперпартнёры не появились, суперсимметрия стала менее красивой.
По популярным моделям, чтобы избежать обнаружения, частицам-суперпартнёрам приходиться быть сильно тяжелее своих двойников, и вместо симметрии появляется какое-то кривое зеркало. Физики выдвинули огромное количество идей о том, как симметрия может быть сломана, и породили тысячи версий суперсимметрии.
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.
Суперсимметрия может объяснить, почему бозон Хиггса такой легкий Несмотря на то, что Стандартная модель предсказала существование бозона Хиггса, его обнаружение проделало еще одну трещину в теории. 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.
Читайте также: Состояние сингулярности как начала вселенной Будучи частицей, которая дает массу другим частицам, Хиггс должен быть очень тяжелым, поскольку взаимодействует с огромным числом частиц. Частицы-партнеры, предсказываемые суперсимметрией, могли бы поправить это. Если они существуют, эти дополнительные частицы отменяли бы вклад партнеров в массу Хиггса.
Потому бозон Хиггса был бы легким, как мы его и наблюдали. Это естественное объяснение куда более желательно, чем внесение корректировок в существующую Стандартную модель. Когда вы вынуждены править теории, объясняющие то, что вы в действительности наблюдаете, это знак того, что «вы на самом деле не знаете, что делаете», говорит Линкольн, а эта теория, по всей видимости, неправильная или неполная.
Самые легкие суперсимметричные частицы, предсказываемые в рамках теории, могут быть неуловимыми частицами темной материи, на которые охотятся физики десятилетиями. Суперсимметрия предсказывает, что у этой частицы будет нейтральный заряд и она едва ли будет взаимодействовать с любой другой частицей. Примерно такое описание физики ждут от частиц темной материи.
Темная материя невидима, поэтому частицы, из которых она состоит, должны быть нейтральными, иначе будут рассеивать свет и станут видимыми. Эти частицы также ни с чем не взаимодействуют, иначе мы бы их уже обнаружили. Суперсимметрия указала бы в направлении универсальной теории в физике Главная цель физики — постоянно конденсировать наше понимание вселенной все более простыми терминами.
К примеру, теперь мы понимаем, что гравитация, которая привела к падению яблока на голову Ньютона, — это та же гравитация, которая управляет планетами и звездами. И теперь мы знаем, что законы электричества и законы магнетизма — просто два закона, которые определяют единую фундаментальную силу электромагнетизма. Если суперсимметричные частицы включены в Стандартную модель, они бы тесно связали три из четырех фундаментальных сил, которые описываются Стандартной моделью: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие.
Суперсимметрия будет означать, что все эти три силы будут обладать одной и той же силой на очень высоких энергетических уровнях. 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.
К примеру, почти полвека понадобилось на то, чтобы открыть бозон Хиггса с момента теоретического предположения его существования. Потому, хотя мы и не видим доказательств суперсимметрии, эта теория остается очень мощной. Тем не менее Вселенной абсолютно все равно, насколько идеальными наши теории ни казались бы, говорит Линкольн.
Многие физики говорят, что мы должны были найти доказательства суперсимметричных частиц уже в первый запуск БАК, поэтому теория вполне может быть не ахти.
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. Вскоре после открытия суперсимметрии выяснилось, что простые суперпространства не в полной мере отвечают теории суперструн и ее низкоэнергетическим пределам, и нужно вводить расширенные суперпространства, где грассмановы координаты имеют внутренний индекс, а потому преобразуются еще и по внутренней симметрии. Для описания таких расширенных суперпространств наиболее естественным и простым образом необходимо, кроме пространственных координат и грассмановых переменных, ввести дополнительные координаты, а именно т. Гармоническое суперпространство было открыто в Дубне коллективом авторов.
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. Однако в самом начале XXI века перед нами возникают 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.
Гляжусь, как в зеркало: есть ли шансы у суперсимметрии?
Минимальное суперсимметричное расширение Стандартной модели называется «минимальная суперсимметричная Стандартная модель» MSSM. В MSSM необходимо добавить дополнительные поля так, чтобы построить суперсимметричный мультиплет с каждым полем Стандартной модели. Для материальных фермионных полей — кварков и лептонов — нужно ввести скалярные поля — скварки и слептоны, по два поля на каждое поле Стандартной модели. Для нарушения электрослабой симметрии в MSSM нужно ввести 2 хиггсовских дуплета в обычной Стандартной модели вводится один хиггсовский дуплет , то есть в MSSM возникает 5 хиггсовских степеней свободы — заряженный бозон Хиггса 2 степени свободы , лёгкий и тяжёлый скалярный бозон Хиггса и псевдоскалярный бозон Хиггса. В любой реалистической суперсимметричной теории должен присутствовать сектор, нарушающий суперсимметрию. Наиболее естественным нарушением суперсимметрии является введение в модель так называемых мягких нарушающих членов. В настоящее время рассматриваются несколько вариантов нарушения суперсимметрии. SUGRA — нарушение суперсимметрии , основанное на взаимодействии с гравитацией; GMSB — нарушение за счёт взаимодействия с дополнительными калибровочными полями с зарядами по группе Стандартной модели ; AMSB — нарушение, также использующее взаимодействие с гравитацией, но с применением конформных аномалий. Достоинства идеи суперсимметрии Теории, включающие суперсимметрию, дают возможность решить несколько проблем, присущих Стандартной модели: Решение проблемы иерархии.
И ученые уже выдвинули ряд теорий, разработали ряд моделей, вроде бы как объясняющих столь малую массу бозона Хиггса, но ни одна из этих теорий и моделей пока не получила никаких экспериментальных подтверждений. Согласно новой теории, в самый ранний период существования Вселенная являлась «коллекцией» множества параллельных Вселенных, в каждой из которых бозон Хиггса имел свое уникальное значение массы. Вселенные, в которых бозон имел большое значение массы, разрушились первыми в горниле Большого Взрыва. Чем большую массу имел бозон Хиггса в каждой конкретной Вселенной, тем раньше она разрушилась, а наша современная Вселенная может быть одной из Вселенных с самым легким бозонам Хиггса, которым удалось пережить катаклизм и не разрушиться при этом. Кроме этого откровенно фантастического сценария, новая теория включает в себя две новые частицы, которые идут в дополнение к известным частицам, определенным Стандартной Моделью. Существование этих двух частиц позволяет объяснить озадачивающие ученых свойства симметрии сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки в протоны и нейтроны, а протоны и нейтроны — в ядра атомов.
Чем большую массу имел бозон Хиггса в каждой конкретной Вселенной, тем раньше она разрушилась, а наша современная Вселенная может быть одной из Вселенных с самым легким бозонам Хиггса, которым удалось пережить катаклизм и не разрушиться при этом. Кроме этого откровенно фантастического сценария, новая теория включает в себя две новые частицы, которые идут в дополнение к известным частицам, определенным Стандартной Моделью. Существование этих двух частиц позволяет объяснить озадачивающие ученых свойства симметрии сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки в протоны и нейтроны, а протоны и нейтроны — в ядра атомов. Современная теория сильных взаимодействий, известная как квантовая хромодинамика, допускает наличие некоторых разногласий в симметрии фундаментальных сильных взаимодействий, так называемой CP-симметрии, хотя эти разногласия пока еще не наблюдались экспериментальным путем. Существование одной из частиц новой теории позволяет решить проблему CP-симметрии, убирая разногласия и делая сильные взаимодействия полностью симметричными. Более того, эта же дополнительная частица может являться частицей темной материи, загадочной субстанции, на долю которой приходится подавляющая часть материи нашей Вселенной.
Известно, что в калибровочных теориях возникает явление бегущей константы связи, то есть значение константы взаимодействия изменяется в зависимости от того, на каком энергетическом масштабе наблюдается взаимодействие. Стандартная модель базируется на трёх различных калибровочных группах. Значения констант этих групп различны на малых энергиях, и с увеличением энергии они меняются. На энергетическом уровне порядка 100 ГэВ две константы становятся одинаковыми явление электрослабого объединения. На энергетическом уровне 1016 ГэВ все три константы сходятся примерно к одному значению, но в Стандартной модели они не могут стать равными друг другу. То есть, строго говоря, в рамках Стандартной модели «великое объединение» электрослабого и сильного взаимодействия невозможно. Поправки за счёт новых полей МССМ меняют вид энергетической эволюции констант, так что они могут сойтись в одну точку. Тёмная материя. За последние годы в астрофизике наблюдаются явления , указывающие на существование тёмной материи.