Суперсимметрия доминировала над физикой частиц десятилетиями, и исключила почти все альтернативные физические теории, выходившие за рамки СМ. Суперсимметрия является одним из основных кандидатов на роль новой теории в физике элементарных частиц за рамками Стандартной модели. Одна из задач, которую ученые пытаются решить с помощью БАК, – это получение экспериментального подтверждения теории Суперсимметрии. Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные. К примеру, ученым очень хотелось, но не удалось найти подтверждения суперсимметрии — теории о том, что у каждой элементарной частицы есть гораздо более тяжелый «суперпартнер».
СУПЕРСИММЕ́ТРИ́Я
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. 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.
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. Естественно, сейчас еще нет и не может существовать единого мнения насчет того, какая именно из теорий, объясняющих малую массу бозона Хиггса или проблему CP-симметрии сильных взаимодействий, является истинной, а какие теории не имеют шанса на существование. Боле того, наша новая теория предсказывает некоторые особенности, которые могут облегчить жизнь ученым, производящим поиски частиц темной материи».
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. 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.
В ходе них установлено, что распад В-мезона происходит не столь часто, как если бы существовал его суперсимметричный партнер, наличие которого предполагает теория. Однако Тара Шиарс отказалась полностью отвергнуть теорию Суперсимметрии и заметила, что не нашли подтверждения выводы ее упрощенной версии, а не более сложного варианта.
Большой адронный коллайдер нанес еще один удар теории суперсимметрии.
| ЦЕРН: теория суперсимметрии под вопросом .:. Наука .:. | Существует много споров об этой теории, но суперсимметрия является одним из наиболее привлекательно возможных расширений Стандартной модели и ведущим претендентом в. |
| «В настоящее время мы не можем описать Вселенную» | Суперсимметрия, возникшая независимо в теории струн, «убила» тахион. |
| Большой адронный коллайдер нанес еще один удар теории суперсимметрии. | Самая амбициозная теория – теория струны, претендующая на единое описание всех сил природы, требует суперсимметрии для непротиворечивости и устойчивости. |
| Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной | Напр., в теории С. происходит сокращение бесконечностей, которые присущи всем релятивистским теориям и представляют проблему, особенно в квантовой гравитации. |
| СУПЕРСИММЕТРИЯ | Теория суперсимметрии основывается на стандартной модели физики, которая включает гравитацию и объясняет существование темной материи и темной энергии. |
СУПЕРСИММЕТРИЯ
Теория суперсимметрии предлагает альтернативное решение проблемы. Теория постулирует, что у фундаментальных частиц есть более тяжелые суперсимметричные партнеры, многие из которых неустойчивы и редко взаимодействуют с обычной материей. Квантовые флуктуации суперсимметричных частиц отлично уравновешивают таковые у обычных частиц, что возвращает диапазон масс бозона Хиггса к приемлемым значениям. Теоретики также обнаружили, что теория суперсимметрии может решить другие проблемы. Некоторые из самых легких суперсимметричных частиц могут оказаться темной материей, за которой астрофизики охотятся с 1930-х годов. Теория суперсимметрии может быть использована для объединения всех взаимодействующих сил во Вселенной, кроме гравитации — это был бы большой шаг к единой теории поля, объединяющей и объясняющей всю известную физику. Пока что коллайдеры не дали подтверждения теории суперсимметрии. Частицы-суперпартнеры должны оказаться намного тяжелее обычных частиц.
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. Хорошо, что науке предстоит ещё такое открывать, что мы пока и не представляем себе этого!
Куда более чувствительный эксперимент, проведенный на суперколлайдере, этого влияния не обнаружил. Если учесть, что и на других детекторах LHC никакого следа суперсимметричных частиц до сих пор не встречалось, хотя по теории вероятностей это уже должно было произойти, это ставит крест на теории суперсимметрии в его сегодняшнем виде. Один из участников команды LHC профессор Джордан Нэш из Имперского Лондонского колледжа, комментируя результаты "Красотки LHC", заявил: "Это означает, что либо мы не полностью понимаем происходящее, либо суперчастицы неамножко другие, чем мы о них думаем, либо их нет вообще". Еще не все потеряно, есть усложненные теории суперсимметрии, по которым суперсимметричных частиц так просто не обнаружишь, но молодые физики уже начинают говорить о том, что пора придумывать что-нибудь еще, такое же красивое, но более реалистичное.
Пора, как они говорят "менять старую шляпу".
Отмена квадратичной перенормировки массы бозона Хиггса между диаграммами Фейнмана с фермионной петлей топ-кварка и скалярным стоп- скварком с головастиком в суперсимметричном расширении Стандартной модели Одна из первоначальных мотиваций минимальной суперсимметричной стандартной модели возникла из проблемы иерархии. Из-за квадратично расходящихся вкладов в квадрат массы Хиггса в Стандартной модели квантово-механические взаимодействия бозона Хиггса вызывают большую перенормировку массы Хиггса, и, если не происходит случайного сокращения, естественный размер массы Хиггса является наибольшим. Кроме того, электрослабая шкала получает огромные квантовые поправки планковского масштаба. Наблюдаемая иерархия между электрослабой шкалой и шкалой Планка должна быть достигнута исключительно точной настройкой. Эта проблема известна как проблема иерархии.
Суперсимметрия, близкая к электрослабой шкале , например, в минимальной суперсимметричной стандартной модели , решила бы проблему иерархии, которая присуща Стандартной модели. Это уменьшило бы размер квантовых поправок за счет автоматической отмены между фермионными и бозонными взаимодействиями Хиггса, а квантовые поправки планковского масштаба отменяли бы между партнерами и суперпартнерами из-за знака минус, связанного с фермионными петлями. Иерархия между электрослабой шкалой и шкалой Планка могла бы быть достигнута естественным образом, без особой тонкой настройки. Другая мотивация для минимальной суперсимметричной стандартной модели исходит из великого объединения , идеи о том, что калибровочные группы симметрии должны объединяться при высоких энергиях. В Стандартной модели, однако, слабые , сильные и электромагнитные связи датчиков не могут быть объединены при высокой энергии. В частности, эволюция ренормгруппы трех калибровочных констант связи Стандартной модели несколько чувствительна к нынешнему содержанию частиц в теории.
Эти константы связи не совсем совпадают на общей шкале энергий, если мы запустим ренормализационную группу, используя Стандартную модель. После включения минимальной SUSY в электрослабой шкале работа калибровочных связей изменяется, и совместная сходимость калибровочных констант связи прогнозируется примерно при 10 16 ГэВ. Модифицированный ход также обеспечивает естественный механизм радиационного нарушения электрослабой симметрии. Во многих суперсимметричных расширениях Стандартной модели, таких как минимальная суперсимметричная стандартная модель , есть тяжелая стабильная частица такая как нейтралино , которая может служить кандидатом в слабовзаимодействующую массивную частицу WIMP темной материи. Существование суперсимметричного кандидата в темную материю тесно связано с R-четностью. Суперсимметрия в электрослабом масштабе дополненная дискретной симметрией обычно обеспечивает кандидатную частицу темной материи в массовом масштабе, согласующемся с расчетами теплового реликтового содержания.
Эксперимент на Большом адронном коллайдере опроверг современную теорию мироздания
Классический пример: сядьте на крутящееся офисное кресло и возьмите в руки две гантели или книжки потяжелее. Раскрутитесь, вытяните руки в стороны, а затем, наоборот, согните их. Заметили разницу? Скорость вашего движения изменится — это происходит именно потому, что вы изменяете собственный момент импульса, распределяя массу по-другому. Когда речь идет об элементарных частицах, появляется величина, формально схожая с моментом импульса. Она называется спином, и характеризует некоторый внутренний, присущий каждой частице момент импульса. Но эта величина, в отличие от стандартного определения, не связана с распределением масс или скоростью вращения, а является чисто квантовым эффектом. Спин может принимать любые положительные значения с шагом 0. Итак, мы приходим к главному различию между фермионами и бозонами: первые обладают полуцелым спином 0. Не садись со мной Самое важное отличие квантовой механики от классической состоит в том, что все величины в квантовой механике могут изменяться только скачкообразно, на очень маленькую величину. Физики говорят, что они «квантуются», подразумевая под «квантом» какое-то конкретное число.
Величина этого «скачка» очень мала, и определяется так называемой постоянной Планка, примерно равной 10-34. В нашем обычном мире мы просто не замечаем столь малого изменения, например, температуры. Но в микроскопическом мире это становится принципиально важно. Все характеристики частиц в квантовой механике измеряются в количестве постоянных Планка, и для простоты обозначаются числом. Например, спин 1 означает «одна постоянная Планка». Договорившись, в каком порядке обозначать физические величины, состояние любой частицы можно описать набором квантовых чисел — это будет ее квантовое состояние. Именно в значении спина скрыта фундаментальная разница между фермионами и бозонами.
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. 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.
Детальные теоретические предсказания, а тем более тщательное моделирование реальных процессов, очень ресурсоемки. Проработать их в мельчайших деталях более чем для нескольких десятков существенно разных конкретных моделей практически невозможно. Поэтому упор следует делать лишь на очень небольшое количество конкретных моделей с конкретными значениями параметров. С другой стороны, физики отдают себе полный отчет в том, что суперсимметрия — даже если она реализуется в природе — вовсе не обязана выражаться простой моделью. Никто не гарантирует, что она вообще будет соответствовать MSSM! Надежда физиков при запуске LHC состояла в том, что тем не менее одно с другим сможет состыковаться: какова бы ни была в реальности суперсимметрия, ее проявления в каком-то виде заметит и стратегия, предназначенная для простых опорных моделей. Это, подчеркнем, именно надежда, а не доказанное утверждение. Обзор экспериментальных данных Обратимся теперь к текущей ситуации в свете данных LHC. Прямые поиски суперчастиц до сих пор дают отрицательный результат во всех проверенных типах процессов см. И это несмотря на то, что LHC смог уже прощупать диапазон масс суперчастиц в несколько раз больший, чем все предыдущие эксперименты! На рис. Обратите внимание на то, как разительно отличаются масштабы по осям! Закрашенные области слева и области под цветными кривыми показывают диапазоны параметров модели, закрытые в эксперименте. Прерывистые кривые показывают области параметров, которые отвечают суперчастицам определенной массы. Источник изображения Наибольшие ограничения по массе были получены для скварков и глюино суперпартнеров кварков и глюонов ; нижние пределы на их массы уже превышают 1 ТэВ. Это и неудивительно, поскольку они участвуют в сильном взаимодействии, и значит, им проще рождаться в столкновении протонов. При этом скварки здесь относятся только к первым двум поколениям то есть это суперпартнеры легких кварков.
Мы удвоили точность измерений и не нашли ничего, что противоречило бы прошлым результатам. Но это не все. Два разных эксперимента с мюонами в США и Европе в итоге показали неожиданные результаты. Мюоны вели себя не так, как от них ожидали, за пределами Стандартной модели. Это может поменять представление ученых о том, как вообще все работает во Вселенной. Что такое «новая физика»? Стандартная модель — общепринятая на данный момент теоретическая конструкция, описывающая взаимодействие всех элементарных частиц во Вселенной. Свод правил, называемый Стандартной моделью, был разработан около 50 лет назад. Эксперименты, проводившиеся на протяжении десятилетий, снова и снова подтверждали, что его описания частиц и сил, которые составляют и управляют Вселенной, в значительной степени верны. До настоящего времени. В свою очередь, новая физика — физика за пределами Стандартной модели — относится к теоретическим разработкам, которые необходимы, чтобы объяснить недостатки СТ. Например, происхождение массы, сильная CP-проблема, нейтринные осцилляции, асимметрия материи и антиматерии, происхождение темной материи и темной энергии. Другая проблема заключается в математических основах самой Стандартной модели — она не согласуется с общей теорией относительности ОТО. Одна или обе теории распадаются в своих описаниях на более мелкие при определенных условиях например, в рамках известных сингулярностей пространства-времени, таких как Большой взрыв и горизонты событий черных дыр. Поскольку эти теории, как правило, полностью согласуются с текущими наблюдаемыми явлениями или не доведены до состояния конкретных предсказаний, вопрос о том, какая теория является правильной или по крайней мере «лучшим шагом» к Теории всего , может быть решен только с помощью экспериментов. В настоящее время это одна из наиболее активных областей исследований как в теоретической, так и в экспериментальной физике. Стандартная модель очень точно предсказывает g-фактор мюона — значение, которое говорит ученым, как эта частица ведет себя в магнитном поле. Этот g-фактор, как известно, близок к значению два, и эксперименты измеряют его отклонение от двух, отсюда и название Muon g-2. Эксперимент в Брукхейвене показал, что g-2 отличается от теоретического предсказания на несколько частей на миллион. Эта крохотная разница намекала на существование неизвестных взаимодействий между мюоном и магнитным полем — взаимодействий, которые могут включать новые частицы или силы.
Симметрия, суперсимметрия и супергравитация
Суперсимметрия часто описывается как трамплин для теории струн — чтобы она стала возможной, необходима некоторая версия суперсимметрии. Возвращаясь к эпизоду "Теории большого взрыва", предлагаемым объяснением наблюдаемого в настоящее время несоответствия является суперсимметрия. Тем не менее этот вопрос был решен в начале 1980-х годов вместе с введением в теорию струн так называемой “суперсимметрии”.
Адронный коллайдер подтвердил теорию суперсимметрии
Что это за теория? Спустя 60 лет и другой легендарный ученый в области теоретической физики, Стивен Хокинг, покинет этот мир с похожими мыслями. Мы знаем, что Хокинг считал, что так называемая M-теория — наш лучший шанс создать полную теорию вселенной. Но что это? С тех пор, как в 1915 году была сформулирована общая теория относительности Эйнштейна, каждый физик-теоретик мечтал примирить наше понимание бесконечно малого мира атомов и частиц с бесконечно большим масштабом космоса. Если последнее отлично описывается уравнениями Эйнштейна, первое с необычайной точностью прогнозируется так называемой Стандартной моделью фундаментальных взаимодействий. Наше нынешнее понимание состоит в том, что взаимодействие между физическими объектами описывается четырьмя фундаментальными силами. Две из них — гравитация и электромагнетизм — проявляются для нас на макроскопическом уровне, мы имеем с ними дело каждый день. Остальные две — слабое и сильное взаимодействие — проявляются на очень малых масштабах и только когда мы имеем дело с субатомными процессами. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий обеспечивает единую структуру для трех из этих сил, но гравитация никак не хочет вписываться в эту картину.
Несмотря на точное описание крупномасштабных явлений, таких как поведение планеты на орбите или динамика галактик, общая теория относительности перестает работать на очень коротких дистанциях. Согласно Стандартной модели, все силы опосредуются определенными частицами.
Согласно теории нарушенной суперсимметрии у каждой частицы по—прежнему есть суперпартнер, но массы этих суперпартнеров отличаются от масс оригинальных частиц Стандартной модели.
Однако если суперсимметрия нарушена слишком сильно, она не сможет разрешить проблему иерархии, потому что мир при сильно нарушенной симметрии выглядит в точности так же, как если бы этой симметрии вовсе не было. Суперсимметрия должна быть нарушена ровно настолько, чтобы мы до сих пор не могли наблюдать ее признаков, но чтобы масса Хиггса была тем не менее защищена от больших квантово—механических вкладов, которые сделали бы ее слишком большой. Это говорит о том, что суперсимметричные частицы должны иметь массы масштаба слабого взаимодействия.
Будь они легче — и мы бы их уже обнаружили; будь они тяжелее — и следовало бы ожидать более тяжелого хиггса. Мы не можем точно сказать, какими будут эти массы, ведь и масса Хиггса известна нам лишь очень приблизительно. Но мы знаем, что если эти массы окажутся слишком большими, то проблема иерархии никуда не денется.
Поэтому мы делаем вывод о том, что если суперсимметрия существует в природе и решает проблему иерархии, то должно существовать множество новых частиц с массами в диапазоне от нескольких сотен гигаэлектронвольт до нескольких тераэлектронвольт. Это именно тот диапазон, в котором БАК должен будет вести поиск. При энергии столкновения 14 ТэВ коллайдер должен выдавать эти частицы даже с учетом того, что кваркам и глюонам, порождающим при столкновении новые частицы, достается лишь небольшая часть исходной энергии протонов.
Проще всего будет получить на БАКе суперсимметричные частицы, несущие сильный или цветовой заряд. Эти частицы при столкновении протонов или, точнее, при столкновении кварков и глюонов в них могут рождаться в изобилии. Иными словами, при штатной работе БАКа могут возникать новые суперсимметричные частицы, участвующие в сильном взаимодействии.
Если это так, они оставят в детекторах очень заметные и характерные следы. Эти сигнатуры — экспериментальные свидетельства, оставляемые частицей — зависят от того, что происходит с частицей после возникновения. Большинство суперсимметричных частиц будут быстро распадаться.
Причина в том, что, как правило, для каждой такой тяжелой частицы существует более легкая частица такая как частицы Стандартной модели с точно таким же полным зарядом. Если это так, то тяжелая суперсимметричная частица распадется на частицы Стандартной модели таким образом, чтобы сохранился первоначальный заряд, и эксперимент обнаружит только частицы Стандартной модели. Вероятно, этого недостаточно, чтобы распознать суперсимметрию.
Однако почти во всех суперсимметричных моделях суперсимметричная частица не может распадаться исключительно на частицы Стандартной модели. После ее распада должна остаться другая более легкая суперсимметричная частица. Причина в том, что суперсимметричные частицы появляются или исчезают только парами.
Поэтому на месте распада одной суперсимметричной частицы должна остаться другая суперсимметричная частица. Следовательно, самая легкая из таких частиц должна быть стабильной. Эта самая легкая частица, которой не на что распадаться, известна физикам как легчайшая суперсимметричная частица, или LSP.
С экспериментальной точки зрения распад суперсимметричной частицы характерен тем, что даже после завершения всех процессов легчайшая из нейтральных суперсимметричных частиц должна остаться. Космологические ограничения говорят о том, что LSP не несет никаких зарядов и потому не будет взаимодействовать ни с одним из элементов детектора. Это означает, что в каждом случае возникновения и распада любой супер- симметричной частицы экспериментальные результаты покажут, что импульс и энергия не сохраняются, их часть куда?
Частица LSP уйдет незамеченной и унесет свои импульс и энергию туда, где их невозможно будет зарегистрировать; сигнатурой LSP будет дефицит энергии. Предположим, к примеру, что в результате столкновения возникает скварк — суперсимметричный партнер кварка. На какие частицы он распадется, зависит от его массы и от того, какие имеются более легкие частицы.
Одним из возможных вариантов распада будет превращение скварка в обычный кварк и легчайшую суперсимметричную частицу рис. Напомню, что распад может происходить практически немедленно, и детектор зарегистрирует только его продукты. Если произошел распад скварка, детекторы зарегистрируют пролет кварка в трекере и в адронном калориметре, который измеряет энергию, отдаваемую частицами, участвующими в сильном взаимодействии, но установка определит также недостачу части импульса и энергии.
Тот факт, что импульса не хватает, экспериментаторы определят точно так же, как и при рождении нейтрино. Они измерят весь поперечный по отношению к пучку импульс и обнаружат, что в сумме он не равен нулю. Одна из сложнейших задач, стоящих перед экспериментаторами, — достоверно и однозначно распознать недостачу импульса.
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. 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.
Дмитрий окончил восьмой класс средней школы, отец, не подлежавший мобилизации по возрасту, ушел добровольцем в народное ополчение и в феврале 1942 года пропал без вести. Старший брат Лева, став курсантом Ленинградского воинского подразделения, в декабре 1941 года был ранен и умер. Но горе, обрушившееся на семью Волковых, не сломило их. Участвовал в боях на Карельском и на 1-м Дальневосточном фронтах в качестве связиста, радиста, артиллерийского разведчика. За проявленное в боях мужество награжден несколькими медалями, в 1965 г.
После войны Дмитрий Волков возвращается в родной Ленинград с твердым намерением учиться. В течение года он экстерном сдает экзамены за 9-й и 10-й классы и в 1947 году поступает на физический факультет Ленинградского университета. В процессе учебы профессорско-преподавательский коллектив не только дал ему знания и сформировал интерес к профессии, но и привил глубокое уважение и любовь к науке. И эту любовь Волков пронес через всю жизнь. В Харьковском университете ему тоже повезло. Здесь читали лекции известные всему научному миру физики, академики А.
Вальтер, К. Синельников, А. Ахиезер — ведущие ученые УФТИ. В 1956 году по окончании аспирантуры Д. Здесь он сложился и вырос как ученый, защитив кандидатскую 1958 г. Научные интересы Дмитрия Васильевича охватывают широкий круг исследований в теоретической физике.
Довольно рано сформировался его научный стиль, отличающийся глубоким и оригинальным подходом к исследуемым вопросам. Уже в первых его работах проявилась нестандартность подхода к фундаментальным проблемам квантовой теории поля. Международное признание ученый получил сразу — открытая им парастатистика, названная впоследствии статистикой Грина-Волкова и обобщая известные статистики Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака, сыграла важную роль в развитии представлений о кварковой структуре адронов. В 1960 году Д. Волков, молодой еще физик, в составе советской делегации впервые принимал участие в конгрессе по физике элементарных частиц в США. Обмениваясь в аэропорту с американскими коллегами новостями науки, глава делегации М.
Марков спросил: «Что у вас нового? Ли ответил: «Это у вас новости! Результативными были и последующие годы. Мировую известность Волкову принесло открытие нового типа симметрии — суперсимметрии — и построение на ее основе теории супергравитации, обобщающей теорию тяготения Эйнштейна. Концепция суперсимметрии определила основное направление развития физики элементарных частиц на десятилетия. Волковское открытие в области суперсимметрии цитировалось как основополагающее в трудах многих крупных международных конференций.
В 1962 г. Волков открыл совместно с В. Грибовым новое явление, получившее название «заговор полюсов», что стимулировало целый поток теоретических и экспериментальных работ в области физики высоких энергий. Дмитрий Васильевич был не только талантливым ученым, но и удивительно трудолюбивым человеком, он работал много и упорно, предъявляя высокие требования к качеству выполняемой работы, ее логическому научному завершению. По воспоминаниям коллег, он был открытым человеком. Обсуждать с Волковым ту или иную проблему было большим удовольствием.
Он быстро вникал в суть дела и высказывал, как правило, оригинальные соображения и идеи. Ему был дан редкий дар видеть важный физический результат за сложными математическими выкладками, используя в расчетах современную математику. Дмитрий Васильевич не останавливался в поиске, для исследований он выбирал наиболее сложные научные проблемы, выдвигая новые идеи и фундаментальные подходы. Он постоянно следил за достижениями в различных областях физики и математики, старался расширять круг своих интересов. Этому способствовали научные командировки в международные центры Европы и Америки и общение с выдающимися учеными. Ездил он туда регулярно — с 1958 г.
Каждая поездка завершалась подробным отчетом, где давался глубокий анализ не только основных теоретических исследований, проводимых в ЦЕРНе, но и организации научной работы; отмечались ее преимущества, давались конкретные рекомендации. В 1994 г. Волков был приглашен на Международную конференцию авторов оригинальных идей и открытий XX века в физике элементарных частиц в Эриче Италия , где выступил с докладом «Supergravity before 1976». Последний раз он докладывал на конференции «Суперсимметрия-95» SUSY-95 во Франции, где выдвинул новую концепцию обобщенного принципа действия для суперструн и супермембран. К Дмитрию Васильевичу всегда тянулась молодежь, потому что он щедро делился идеями и открытиями и искренне радовался успехам и достижениям своих учеников и коллег. Созданная им в Харькове научная школа пользуется заслуженной мировой известностью.
На его научных идеях и под его непосредственным руководством подготовлено около 20 кандидатских и докторских диссертаций. Много сил и энергии Д. Волков отдавал научно-организационной работе. Он входил в состав ряда проблемных научных Советов, редколлегий, научных журналов и сборников. Достижения Д. Волкова неоднократно отмечались орденами и медалями.
Ему было присвоено звание заслуженного деятеля науки Украины. В 1997 г. Интересы Дмитрия Васильевича далеко не исчерпывались одной наукой. Он увлекался индийской философией, любил классическую литературу, занимался спортом, прекрасно плавал, был хорошим лыжником. Он любил семью, своих друзей, он горячо любил жизнь! В поселке Пятихатки есть улицы и проспекты, названные в честь известных ученых.
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.
Физики открыли пятую силу природы. Главное об эксперименте с мюоном g-2
Немногим более сорока лет назад появилась суперсимметрия – теория, в которой каждому существующему фермиону в пару полагается бозон, и наоборот. Киральная симметрия (от греч. cheir — рука) — инвариантность уравнений квантовой теории поля относительно преобразований, перемешивающих состояния частиц как с различными. Теория суперсимметрии основывается на стандартной модели физики, которая включает гравитацию и объясняет существование темной материи и темной энергии.
Экзамены суперсимметричной модели вселенной 1978
Теория струн предсказывает, что между этими двумя частицами существует связь, называемая суперсимметрией, при которой для каждого фермиона должен существовать бозон, и наоборот. Это удар по суперсимметрии, который, однако, не сбрасывает теорию со счетов. Киральная симметрия (от греч. cheir — рука) — инвариантность уравнений квантовой теории поля относительно преобразований, перемешивающих состояния частиц как с различными. С момента ввода в обиход теории суперсимметрии и до настоящего времени эта теория являлась лишь только неподтвержденной физической гипотезой. На днях теория суперсимметрии получила еще один удар от Большого адронного коллайдера (БАК). Теория суперсимметрии обобщает часто встречающееся в природе явление симметрии на уровень элементарных частиц и утверждает, что существует некоторое преобразование.
Новые методы в классической и квантовой теории поля с расширенной суперсимметрией
Согласно ей, у каждой частицы существует "двойник". Его очень трудно обнаружить, но не быть его не может. Когда на умирающем "Теватроне" вдруг нашли намеки на существование, команда "Красотки LHC" решила это проверить. Эксперимент заключался в беспрецедентно детальном изучении распада Б-мезонов, возможном сегодня только на LHC. По данным команды "Теватрона" и еще нескольких других ускорительных лабораторий, на ход наблюдаемого ими распада Б-мезонов, возможно, влияло присутствие суперсимметричных частиц.
Первые ставки были сделаны еще в 2000 году, когда началось строительство Большого адронного коллайдера БАК. Ученые с мировым именем поспорили, будут ли с его помощью открыты новые частицы, подтверждающие теорию суперсимметрии, согласно которой каждая частица должна иметь своего суперпартнера. В понедельник участники пари встретились в Международной академии имени Нильса Бора.
Суперсимметрия как раз является областью моей научной деятельности, и я решил в научно-популярной форме попытаться рассказать, что же это такое. Введение Я расскажу в этой статье о современных теориях в физике элементарных частиц, о некоторых идеях и следствиях этих теорий.
В отдельных местах изложение построено в предположении о том, что читатель не забыл школьную математику и физику. 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. 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. Дмитрий Васильевич Волков 1925-1996 : историческая справка Д. Волков — выдающийся физик-теоретик, академик Национальной академии наук Украины, крупный специалист в области элементарных частиц, квантовой электродинамики, ядерной физики, квантовой теории поля, физики твердого тела.
В этом году ему должно было исполниться 80 лет. Двадцатипятилетним молодым человеком приехал в Харьков Дмитрий Волков и на протяжении 45 лет его деятельность была связана с этим городом. В 1951 году он приехал сюда с группой студентов из разных вузов страны он — из Ленинградского университета по приказу Министерства высшего образования для продолжения учебы в Харьковском университете на вновь организованном отделении ядерной физики при физико-математическом факультете. Родился Д. Волков 3 июля 1925 года в Ленинграде в семье рабочего-слесаря и учительницы. В семье было двое сыновей: старший Левушка и младший Митенька, названные так в честь героев произведений Л. Толстого, большой поклонницей которого была мать, Ольга Ивановна. Она занималась духовным воспитанием детей, прививая им любовь к литературе, музыке. Отец, Василий Николаевич, старался закалить их физически, занимаясь с ними спортом, но он всячески поощрял стремление мальчиков и к знаниям.
Великая Отечественная война 1941-1945 гг. Дмитрий окончил восьмой класс средней школы, отец, не подлежавший мобилизации по возрасту, ушел добровольцем в народное ополчение и в феврале 1942 года пропал без вести. Старший брат Лева, став курсантом Ленинградского воинского подразделения, в декабре 1941 года был ранен и умер. Но горе, обрушившееся на семью Волковых, не сломило их. Участвовал в боях на Карельском и на 1-м Дальневосточном фронтах в качестве связиста, радиста, артиллерийского разведчика. За проявленное в боях мужество награжден несколькими медалями, в 1965 г. После войны Дмитрий Волков возвращается в родной Ленинград с твердым намерением учиться. В течение года он экстерном сдает экзамены за 9-й и 10-й классы и в 1947 году поступает на физический факультет Ленинградского университета. В процессе учебы профессорско-преподавательский коллектив не только дал ему знания и сформировал интерес к профессии, но и привил глубокое уважение и любовь к науке.
И эту любовь Волков пронес через всю жизнь. В Харьковском университете ему тоже повезло. Здесь читали лекции известные всему научному миру физики, академики А. Вальтер, К. Синельников, А. Ахиезер — ведущие ученые УФТИ. В 1956 году по окончании аспирантуры Д. Здесь он сложился и вырос как ученый, защитив кандидатскую 1958 г. Научные интересы Дмитрия Васильевича охватывают широкий круг исследований в теоретической физике.
Довольно рано сформировался его научный стиль, отличающийся глубоким и оригинальным подходом к исследуемым вопросам. Уже в первых его работах проявилась нестандартность подхода к фундаментальным проблемам квантовой теории поля. Международное признание ученый получил сразу — открытая им парастатистика, названная впоследствии статистикой Грина-Волкова и обобщая известные статистики Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака, сыграла важную роль в развитии представлений о кварковой структуре адронов. В 1960 году Д. Волков, молодой еще физик, в составе советской делегации впервые принимал участие в конгрессе по физике элементарных частиц в США. Обмениваясь в аэропорту с американскими коллегами новостями науки, глава делегации М. Марков спросил: «Что у вас нового?
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. 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.
Поиски суперсимметрии на коллайдере принесли новую интригу
Существует много споров об этой теории, но суперсимметрия является одним из наиболее привлекательно возможных расширений Стандартной модели и ведущим претендентом в. Напр., в теории С. происходит сокращение бесконечностей, которые присущи всем релятивистским теориям и представляют проблему, особенно в квантовой гравитации. Одна из задач, которую ученые пытаются решить с помощью БАК, – это получение экспериментального подтверждения теории Суперсимметрии. Сформулированная в 1973 году, теория Суперсимметрии предполагает наличие у каждой известной науке элементарной частицы двойника, отличающегося своими характеристиками. Поскольку суперсимметрия является необходимым компонентом теории суперструн, любая обнаруженная суперсимметрия будет согласована с теорией суперструн.