Суперсимметрия доминировала над физикой частиц десятилетиями, и исключила почти все альтернативные физические теории, выходившие за рамки СМ. Нужно построить теорию, которая будет инвариантна относительно преобразований суперсимметрии, а также относительно.
Адронный коллайдер подтвердил теорию суперсимметрии
Предполагается, тем не менее, что существует энергетический лимит, за пределами которого поля подчиняются суперсимметричным преобразованиям, а в рамках лимита — нет. В таком случае частицы-суперпартнёры обычных частиц оказываются очень тяжёлыми по сравнению с обычными частицами. Поиск суперпартнёров обычных частиц — одна из основных задач современной физики высоких энергий. Ожидается, что Большой адронный коллайдер, запуск которого планируется осенью 2008 года [1], сможет открыть и исследовать суперсимметричные частицы, если они существуют, или поставить под большое сомнение суперсимметричные теории, если ничего не будет обнаружено. Виктор Алексеевич Мудрец 14295 11 лет назад Суперсимметрия, это просто!
Ученые, работающие с детектором ATLAS, пытаются обнаружить рождение суперпартнеров, фиксируя рождение электронов и мюонов с потерей энергии. Таких событий фиксировалось еще меньше. Исследователям удалось исключить варианты теории, согласно которым масса суперпартнера глюона — глюино — меньше 700 гигаэлектронвольт. Вместе с тем, многие ученые полагают, что отсутствие признаков суперсимметрии в данных коллайдера не является дурным предзнаменованием для этой теории, которая сама по себе состоит из сотен разных вариантов, зависящих от сочетаний десятков возможных параметров. Его коллега, итальянский физик Томмазо Дориго полагает, что есть основания для беспокойства. Суперсимметрия должна нарушаться, чтобы суперпартнеры стали тяжелее «обычных» частиц.
Причем это нарушение должно происходить при той же энергии, при которой нарушается электрослабая симметрия, в точке, когда переносчики слабого взаимодействия — W- и Z-бозоны — становятся массивными, а переносчики электромагнитного — фотоны — остаются безмассовыми.
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. К чему приведут новые открытия? Частицы, выходящие за рамки Стандартной модели, могут помочь объяснить загадочные явления, как природа темной материи, загадочной и широко распространенной субстанции, о существовании которой физики знают, но её еще предстоит обнаружить. А что такое мюоны?
Вся наша Вселенная построена из частиц размером меньше атома. Некоторые из этих частиц состоят из еще более мелких частиц, другие уже не дробятся. Это и есть элементарные частицы.
Когда строился Большой адронный коллайдер, среди физиков царило воодушевление. Многие из них считали, что массы суперчастиц находятся в районе 1 ТэВ или даже меньше, и такие частицы начнут массово рождаться на LHC. Увы, первый сеанс работы коллайдера охладил этот пыл : многочисленные поиски прямых или косвенных проявлений суперсимметрии по-прежнему дают отрицательные результаты см.
Но прежде чем рассказывать о них самих, стоит кратко обрисовать, как вообще ищут проявления суперсимметрии на коллайдере. Сложность тут в том, что у суперсимметрии нет какого-то одного конкретного, железобетонного предсказания, проверяемого прямо сейчас. Имеется большое количество вариантов суперсимметричных теорий, а в них есть неизвестные численные параметры. В результате предсказания для коллайдера могут получиться самые разнообразные — и физики стараются, по возможности, охватить их все. Среди них выделяется главное направление поисков см. Считается, что вначале в столкновении протонов рождаются сильновзаимодействующие суперчастицы — скварки или глюино.
Они тяжелые и распадаются на другие, те — распадаются дальше, и т. Так идет до тех пор, пока не появится легчайшая суперсимметричная частица в зависимости от варианта теории, это может быть нейтралино, гравитино или другие суперчастицы. Главное, что она уже ни на что не распадается, а просто улетает прочь, не будучи даже пойманной детектором. Эта частица уносит большой поперечный импульс, который — в силу неуловимости частицы — не отслеживается детектором. Детектор регистрирует все обычные частицы, измеряет их импульсы и видит, что они не складываются в нуль, то есть заметная часть импульса «теряется». Такой дисбаланс в поперечном импульсе указывает на то, что в столкновении родилась какая-то неуловимая частица высокой энергии.
Конечно, одного лишь дисбаланса поперечного импульса мало для открытия Новой физики. В Стандартной модели тоже есть частицы, не регистрируемые детектором, — нейтрино, — и они запросто могут породить похожую картину столкновений. Вдобавок, детекторы неидеальны, и иногда они ошибаются при измерении энергий и импульсов особенно когда приходится мерять адронные струи , целые потоки адронов или даже могут неправильно идентифицировать пролетевшую частицу. Поэтому в реальности физикам приходится тщательно сравнивать полученные данные с предсказаниями Стандартной модели и пытаться найти не просто какую-то статистику событий, а их превышение над фоном Стандартной модели. Так что каждый поиск, каждый анализ — это кропотливая работа десятков и сотен исследователей в течение месяцев или даже лет. Более подробный рассказ о том, как изучают частицы на коллайдере, читайте в статье Анатомия одной новости.
Сейчас, в преддверии нового запуска LHC, экспериментальные группы «подчищают хвосты» — доделывают трудоемкие анализы на основе данных, набранных во время первых трех лет работы коллайдера. Регулярно появляются и статьи о тех или иных поисках суперсимметрии, но все они пока приводят к отрицательным результатам. Однако за последний месяц обе крупнейшие коллаборации, работающие на LHC, сообщили о наблюдении любопытных отклонений в похожих — но не идентичных! В обеих работах физики изучали события следующего типа: наблюдаются как минимум две адронные струи, лептонная пара электрон-позитрон или мюон-антимюон и потерянный поперечный импульс. На рис. Конечно, существуют и обычные фоновые процессы, которые дают такой же сигнал.
Большой адронный коллайдер нанес еще один удар теории суперсимметрии.
Причём из теории суперсимметрии следует существование новых частиц — аналогов уже известных элементарных частиц. Суперсимметрия часто описывается как трамплин для теории струн — чтобы она стала возможной, необходима некоторая версия суперсимметрии. Так же существуют и более классические теории, согласно которым бозон Хиггса является сложной частицей, основанной на новом типе симметрии, суперсимметрии.
Симметрия, суперсимметрия и супергравитация
Эксперимент на Большом адронном коллайдере опроверг современную теорию мироздания Выступая на международной физической конференции, которая проходит в индийском городе Мумбаи, ученый подчеркнула: "Мы провели на БАК серию экспериментов с элементарными частицами, в ходе которых проверили опытным путем фундаментальные выводы теории Суперсимметрии и верность описания ею физического мира. Однако необходимых подтверждений мы не получили". Сформулированная в 1973 году, теория Суперсимметрии предполагает наличие у каждой известной науке элементарной частицы двойника, отличающегося своими характеристиками.
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.
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.
А соответствующие члены потенциальной энергии, входящие в гамильтонианы, тогда известны как потенциалы-партнеры. Основная теорема показывает, что для каждого собственного состояния одного гамильтониана, его гамильтониан-партнер имеет соответствующее собственное состояние с той же энергией. Этот факт можно использовать для вывода многих свойств спектра собственных значений. Это аналогично новому описанию SUSY, которое относилось к бозонам и фермионам. Можно представить «бозонный гамильтониан», собственными состояниями которого являются различные бозоны нашей теории.
А SUSY-партнер этого гамильтониана будет «фермионным», а его собственными состояниями будут фермионы теории. У каждого бозона будет фермионный партнер с равной энергией. Суперсимметрия в физике конденсированного состояния[ править править код ] Концепции SUSY оказалась полезной для некоторых применений квазиклассических приближений. Кроме того, SUSY применяется к системам с усредненным беспорядком, как квантовым, так и неквантовым посредством статистической механики , уравнение Фоккера — Планка — это пример неквантовой теории.
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.
С теорией суперсимметрии придётся расстаться
Но материала для работы маловато. Пока что никаких намёков на «новую физику» за пределами Стандартной модели — принятого набора уравнений, описывающих известные элементарные частицы — не возникло ни в экспериментах на БАК, ни где-либо ещё. Открытый не так давно бозон Хиггса был предсказан Стандартной моделью. Последние тесты по сталкиванию протонов в Киото, Япония, исключили ещё один большой класс суперсимметричных моделей, и другие теории «новой физики», поскольку не нашли ничего необычного в распадавшихся частицах. В отсутствие намёков на направление движения в экспериментальных данных, как можно догадаться о чём-нибудь, происходящем в природе? Более молодые физики, изучающие частицы, встали перед трудным выбором: следовать путём, проторённым за десятилетия их учителями, и изобретать ещё более изощрённые версии суперсимметрии, или пойти своим путём, без всякого направления со стороны каких бы то ни было данных. В блогпосте о японских испытаниях Фальковский шутит, что пора уже искать работу в неврологии. Я просто не могу придумать ничего лучше». Суперсимметрия доминировала над физикой частиц десятилетиями, и исключила почти все альтернативные физические теории, выходившие за рамки СМ. Теория привлекательна по трём причинам.
Она предсказывает существование частиц, из которых может состоять «тёмная материя», невидимая субстанция, пронизывающая окраины галактик. Она объединяет три фундаментальных взаимодействия при высоких энергиях. И, самое большое преимущество,— она решает загадку физики под названием «проблема калибровочной иерархии».
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 важнейшие 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. Нейтралино — одна из гипотетических частиц, предсказываемых теориями, включающими суперсимметрию. Так как суперпартнёры Z-бозона, фотона и бозона Хиггса соответственно: зино, фотино и хиггсино имеют одинаковые квантовые числа, они смешиваются, образуя собственные состояния массового оператора, называемые нейтралино. Свойства нейтралино зависят от того, какая из составляющих зино, фотино, хиггсино доминирует. Легчайшее нейтралино стабильно, если оно легче гравитино, а R-чётность сохраняется. Нейтралино участвует только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Если нейтралино является стабильной или долгоживущей частицей, то при рождении в ускорительных экспериментах оно будет ускользать от детекторов частиц; однако большие потери энергии и импульса в событии такого рода могут служить экспериментальным проявлением рождения этой частицы. Стабильные реликтовые нейтралино могут быть обнаружены по рассеянию на ядрах в неускорительных экспериментах по поиску частиц тёмной материи.
Легчайшее нейтралино массой 30-5000 ГэВ является основным кандидатом в составляющие холодной тёмной материи из слабовзаимодействующих массивных частиц вимпов. В Стандартной модели, однако, электрослабое и сильное взаимодействия объединены лишь формально.
Барионный заряд — внутренняя характеристика частиц, равная 1 у барионов, —1 у антибарионов и 0 у всех остальных частиц. Читайте в любое время о — они всегда рождаются парами.
Эти сравнительно долгоживущие частицы успевают пролететь почти 0,5 мм, прежде чем распасться на более лёгкие частицы. Очевидно, что эти реакции получаются одна из другой посредством СР-преобразования. Поэтому СР-симметрия требует того, чтобы число тех и других было одинаково. Но оказалось, что первый распад происходит примерно на 10 процентов чаще.
Источник Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной Большой адронный коллайдер очень скоро снова заработает с удвоенной скоростью. Физики полагают, что столкновения частиц на околосветовых скоростях помогут раскрыть целый набор новых частиц, открывающих изнанку физики: суперсимметрию. В прошлый раз мы немного затронули эту тему, пришло время обсудить, что это за суперсимметрия и зачем она нам. На данный момент главенствующей теорией физики элементарных частиц является Стандартная модель.
Она отлично объясняет, как взаимодействуют основные строительные блоки материи, создавая Вселенную, которую мы видим вокруг. Стандартная модель — лучшее описание, которое у нас есть, но оно далеко от совершенства. Неполная теория Стандартная модель образовалась в 1970-х годах. 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. 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.
Пока что никаких намёков на «новую физику» за пределами Стандартной модели — принятого набора уравнений, описывающих известные элементарные частицы — не возникло ни в экспериментах на БАК, ни где-либо ещё. Открытый не так давно бозон Хиггса был предсказан Стандартной моделью. Последние тесты по сталкиванию протонов в Киото, Япония, исключили ещё один большой класс суперсимметричных моделей, и другие теории «новой физики», поскольку не нашли ничего необычного в распадавшихся частицах. В отсутствие намёков на направление движения в экспериментальных данных, как можно догадаться о чём-нибудь, происходящем в природе? Более молодые физики, изучающие частицы, встали перед трудным выбором: следовать путём, проторённым за десятилетия их учителями, и изобретать ещё более изощрённые версии суперсимметрии, или пойти своим путём, без всякого направления со стороны каких бы то ни было данных. В блогпосте о японских испытаниях Фальковский шутит, что пора уже искать работу в неврологии. Я просто не могу придумать ничего лучше». Суперсимметрия доминировала над физикой частиц десятилетиями, и исключила почти все альтернативные физические теории, выходившие за рамки СМ.
Теория привлекательна по трём причинам. Она предсказывает существование частиц, из которых может состоять «тёмная материя», невидимая субстанция, пронизывающая окраины галактик. 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.
Физики в Копенгагене подвели итоги 15-летнего пари о теории суперсимметрии
Теория суперсимметрии обобщает часто встречающееся в природе явление симметрии на уровень элементарных частиц и утверждает, что существует некоторое преобразование. особенностями обладают различные элементарные частицы? Когда была была предложена теория, предполагающая связь. Теория суперсимметрии основывается на стандартной модели физики, которая включает гравитацию и объясняет существование темной материи и темной энергии. 28 апреля - 43672616965 - Медиаплатформа МирТесен. Чем больше мы исследуем теорию суперсимметрии, тем неотразимее она становится», — пишет специалист по физике элементарных частиц Дэн Хупер. Если рассмотреть квантовую электродинамику, то это теория с не очень большим, по сравнению с суперсимметрией, количеством симметрий.
Симметрия, суперсимметрия и супергравитация
Самая амбициозная теория – теория струны, претендующая на единое описание всех сил природы, требует суперсимметрии для непротиворечивости и устойчивости. особенностями обладают различные элементарные частицы? Когда была была предложена теория, предполагающая связь. Спонтанное нарушение суперсимметрии (общая теория). Механизм Файе — Илиопулоса спонтанного нарушения суперсимметрии.
Новые методы в классической и квантовой теории поля с расширенной суперсимметрией
Основная теорема показывает, что для каждого собственного состояния одного гамильтониана, его гамильтониан-партнер имеет соответствующее собственное состояние с той же энергией. Этот факт можно использовать для вывода многих свойств спектра собственных значений. Это аналогично новому описанию SUSY, которое относилось к бозонам и фермионам. Можно представить «бозонный гамильтониан», собственными состояниями которого являются различные бозоны нашей теории. А SUSY-партнер этого гамильтониана будет «фермионным», а его собственными состояниями будут фермионы теории. У каждого бозона будет фермионный партнер с равной энергией.
Суперсимметрия в физике конденсированного состояния[ править править код ] Концепции SUSY оказалась полезной для некоторых применений квазиклассических приближений. Кроме того, SUSY применяется к системам с усредненным беспорядком, как квантовым, так и неквантовым посредством статистической механики , уравнение Фоккера — Планка — это пример неквантовой теории. Использование метода суперсимметрии обеспечивает математически строгую альтернативу методу реплик , но только в невзаимодействующих системах, который пытается решить так называемую «проблему знаменателя» при усреднении по беспорядку.
Решения Чертовасайт решений Чертова А. Воробьева А.
Поиск БАК до сих пор не показал никаких признаков частиц-суперпартнеров, предсказанных теорией суперсимметрии "Мы загнали теорию суперсимметрии в угол", — говорит Крис Лестер Chris Lester , физик из Кембриджа. Теория суперсимметрии возникла в 1970-х годах как способ исправить существенные недостатки Стандартной модели физики высоких энергий. Ключевое значение в теории суперсимметрии играет открытый "на бумаге" бозон Хиггса, отвечающий за возникновение массы у элементарных частиц. Но его предсказанная масса сама подвержена большим флуктуациям, вызванным квантовыми эффектами от других элементарных частиц. Эти колебания могут увеличить его массу до такого значения, после которого другие элементарные частицы станут более массивными, чем они есть на самом деле, что фактически противоречит Стандартной модели.
В ее рамках теоретики могут исключить влияние колебаний в своих уравнениях, но только если будут иметь точно установленную массу бозона Хиггса.
В настоящее время это одна из наиболее активных областей исследований как в теоретической, так и в экспериментальной физике. Стандартная модель очень точно предсказывает g-фактор мюона — значение, которое говорит ученым, как эта частица ведет себя в магнитном поле. Этот g-фактор, как известно, близок к значению два, и эксперименты измеряют его отклонение от двух, отсюда и название Muon g-2. Эксперимент в Брукхейвене показал, что g-2 отличается от теоретического предсказания на несколько частей на миллион. Эта крохотная разница намекала на существование неизвестных взаимодействий между мюоном и магнитным полем — взаимодействий, которые могут включать новые частицы или силы. К чему приведут новые открытия? Частицы, выходящие за рамки Стандартной модели, могут помочь объяснить загадочные явления, как природа темной материи, загадочной и широко распространенной субстанции, о существовании которой физики знают, но её еще предстоит обнаружить. А что такое мюоны? Вся наша Вселенная построена из частиц размером меньше атома.
Некоторые из этих частиц состоят из еще более мелких частиц, другие уже не дробятся. Это и есть элементарные частицы. Мюоны как раз и являются такими элементарными частицами: они похожи на электроны, только в 200 раз тяжелее. В ходе эксперимента Muon g-2 частицы разгонялись по 14-метровому кольцу в циркулярном коллайдере под воздействием мощного магнитного поля. Согласно известным законам физики, это должно было приводить к колебанию мюонов с определенной частотой. Однако физики обнаружили, что частота их колебаний оказалась выше предполагаемой. По их мнению, это может свидетельствовать о действии силы, ранее не известной науке. Никто не знает точно, что еще, кроме воздействия на мюон, подвластно этой новой силе. Иными словами, поведение мюонов выходило за рамки того, что знают ученые. Физики задумались, а не причастна ли тут какая-то еще неизвестная, пятая сила?
О какой пятой силе идет речь?
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. 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.
Экзамены суперсимметричной модели вселенной 1978
Лептоны и кварки относятся к первому типу частиц, а переносчики взаимодействий — ко второму. В физике они так и называются — калибровочными бозонами. Оля и Яло Чтобы разобраться в отличиях фермионов и бозонов, необходимо ввести понятие спина. Если тело вращается, «количество» этого движения можно охарактеризовать: сколько массы обращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью оно происходит. В физике такая величина называется моментом импульса. 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.
Мы пока не знаем, верно ли это довольно изящное объяснение стабильности иерархии и компенсации поправок к массе хиггса. Но если суперсимметрия действительно решает проблему иерархии, то мы многое можем сказать о том, каких результатов следует ожидать на БАКе. В этом случае мы знаем, какие именно новые частицы должны существовать, потому что у каждой известной частицы должен быть суперсимметричный партнер.
Мало того, мы можем оценить массы новых частиц. Разумеется, если бы суперсимметрия в природе соблюдалась в точности, мы бы сразу знали и массы всех суперпартнеров. Они были бы попросту идентичны массам соответствующих известных частиц. Однако ни одну частицу—суперпартнер до сих пор обнаружить не удалось. Это свидетельствует о том, что суперсимметрия, даже если она реально существует в природе, не может быть строгой.
Так что суперсимметрия должна нарушаться в том смысле, что отношения, предсказанные теорией суперсимметрии, не могут быть строгими. 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?
Вот если бы БАК или другой ускоритель нашли бы "новую физику", тогда дело бы пошло веселей. А так, в основном, мы имеем только косвенные подтверждения, что новая физика есть. По сути, мы сейчас идем за экспериментами — мы строим коллайдер, он, к счастью, находит бозон Хиггса, но не открывает микро-черные дыры или какие-то другие новые и интересные объекты, вроде суперпартнеров. Теоретики задыхаются от недостатка новых данных и у них, образно говоря, начинаются разнообразные сугубо математические галлюцинации… И это все при том, что острые нерешенные вопросы еще у нас есть. Мне, теоретику, ситуация, в которой теория становится ведомой, совсем не по душе. Мне кажется, что вопрос "нужно ли идти дальше? Я верю в то, что тяга к фундаментальному знанию будет существовать до тех пор, пока существует человечество. Не думаю, что апокалиптическая картина "общества всеобщего потребления", которую нам часто рисуют футуристы, будет воплощена в жизнь до такой степени, что фундаментальная наука станет никому не нужна и ее полностью прекратят финансировать. С другой стороны, есть немало примеров саморазрушительной динамики на уровне индивидуумов и сообществ, поэтому гарантий тут нет. Что касается чисто технической стороны, то в последнее время большое внимание уделяется разработке новых принципов ускорения частиц. Если прогресс в этом направлении будет достигнут, вовсе необязательно строить ускоритель размером с половину континента. В любом случае, пока экспериментаторы ведут в изучении физики частиц, мы будем двигаться в этом направлении. Бозон Хиггса - недостающее звено Стандартной модели За пределами Стандартной модели сейчас находится своеобразная "полоса незнания", побуждающая экспериментаторов строить новые машины и копаться в ней. Это копание проявляется в двух вещах — мы сталкиваем частицы на все более высоких энергиях, надеясь найти что-то новое, и более точно промеряем параметры их взаимодействий. Это тоже очень большая работа, которая, может быть, не принесет каких-то громких фундаментальных открытий, но крайне важна для понимания общей картины устройства мироздания. Иными словами, я пока не готов окончательно хоронить ни экспериментальную, ни теоретическую физику высоких энергий. При этом меня очень раздражает то, что мы уже несколько десятилетий топчемся на одном месте и так и не можем сформулировать убедительного обобщения всего, что было открыто за последние годы и того, что лежит за пределами Стандартной модели. Я бы сказал, что теоретическая физика высоких энергий находится в кризисе, причем достаточно серьезном. С чем они связаны? Когда развитие замедляется, то, как правило, начинаются поиски "злодеев", которые довели нас "до такой жизни". Нужно разделять теорию — феноменологию частиц и теорию струн, чье отношение к "реальной физике" пока не до конца определено. Есть огромное число моделей, которые никак с ней не связаны, и многие практические вопросы тоже ее не затрагивают и не зависят от нее. Ожидает ли нас такая же революция, сопоставимая по масштабам с созданием квантовой физики? В каком-то смысле современная ситуация и то, что происходило в конце 19 века, очень похожи друг на друга. В то время мы достигли пределов классической физики, но еще не начали замечать квантовых эффектов.
Но представленный мною вариант — наиболее популярный среди теоретиков и экспериментаторов, особенно в Европе в США он менее популярен, про другие места я не знаю. Этой популярности есть веские причины; оказывается, что существует несколько независимых способов получить схему, сходную с этой. Однако популярность всегда порождает предвзятость, а нам необходимо рассматривать все возможности, не делая предположений касательно этих аргументов. Но если суперпартнёры очень массивные, не может ли получиться так, что мы не сможем произвести ни одного из них в ближайшие десятилетия или даже столетия? Не занимаемся ли мы подсчётом количества ангелов, способных уместиться на кончике иглы? Из всего вышеизложенного пока действительно следует, что такой риск существует. Однако есть и более тонкий аргумент в пользу наличия суперсимметрии, благодаря которому у многих физиков есть надежда на то, что все эти суперпартнёры находятся в пределах досягаемости Большого адронного коллайдера. Это следует из того факта, что суперсимметрия решила бы проблему иерархии — одну из величайших загадок нашего мира. Проблема иерархии Важным свойством природы, ставящим в тупик учёных, а в их числе и меня, является свойство иерархии — огромной разницы между свойствами слабого ядерного взаимодействия и гравитации. Эту иерархию можно описать несколькими разными способами, каждый из которых упирает на одно из её свойств. Например: Масса мельчайшей возможной чёрной дыры определяет то, что известно, как планковская масса. В связи с этим существует огромная иерархия масштабов массы между слабым ядерным взаимодействием и гравитацией. Сталкиваясь с таким огромным числом, как 10 000 000 000 000 000, десять квадриллионов, физики естественным образом задают вопрос: откуда оно взялось? И у него может быть довольно интересное объяснение. Но пытаясь найти это объяснение в 1970-х, физики увидели существование серьёзной проблемы, даже парадокса, скрывающегося за этим числом. Эта проблема, известная сейчас, как проблема иерархии, связана с размером ненулевого поля Хиггса, которое в свою очередь определяет массу частиц W и Z. Но оказывается, что из квантовой механики следует, что такой размер поля Хиггса нестабилен, это нечто вроде аналогия неполная! Из известной нам физики, из квантового дрожания, вроде бы следует, что для поля Хиггса должно существовать два естественных значения — по аналогии с двумя естественными местами для вазы, либо твёрдо стоящей на столе, либо валяющейся разбитой на полу. И получается, что поле Хиггса вроде бы должно быть либо нулевым, или оно должно быть сопоставимым по размеру с планковской энергией, в 10 000 000 000 000 000 больше наблюдаемого значения. Почему же его значение получается ненулевым и таким крохотным, таким, на первый взгляд, неестественным? Это и есть проблема иерархии. Многие физики-теоретики посвящали заметную часть своей карьеры попыткам решения этой проблемы. Некоторые утверждали, что нам нужны новые частицы и новые взаимодействия их идеи проходят под именами суперсимметрии, техницвета, малого Хиггса, и т. Некоторые говорили, что наше понимание гравитации ошибочно, и что существуют новые, неизвестные измерения «дополнительные измерения» пространства, которые мы обнаружим в ближайшем будущем в экспериментах на БАК. Другие говорят, что тут и объяснять нечего, поскольку действует эффект отбора: Вселенная гораздо больше и разнообразнее, чем наблюдаемая нами часть, и мы живём в довольно неестественной части Вселенной в основном потому, что оставшаяся её часть непригодна для жизни — точно так же, как, несмотря на то, что каменистые планеты встречаются редко, мы живём на одной из них оттого, что только тут мы могли эволюционировать и выжить. Возможно, у этой проблемы существуют и другие, пока не придуманные решения. Многие из этих из этих решений — уж точно все решения с новыми частицами и взаимодействиями, и с новыми измерениями — предсказывают, что новые явления можно будет увидеть на БАК.