Зачем физики ищут симметрию между элементарными частицами, и почему для работы теории струн нужно двадцать шесть измерений. SIS’23 привлекло ведущих специалистов в квантовой теории поля и современной математической физики.
Суперсимметрия в свете данных LHC: что делать дальше?
Теория струн (теория суперструн) и суперсимметрия претендуют на роль Единой Теории Поля. Теория предсказывает наличие закона периодического изменения вероятности обнаружения частицы определённого сорта в зависимости от прошедшего с момента создания частицы. Нужно построить теорию, которая будет инвариантна относительно преобразований суперсимметрии, а также относительно. С ней должна уйти на покой теория расширения пространства, из которой происходят теории тёмной материи и энергии. На днях теория суперсимметрии получила еще один удар от большого адронного коллайдера (бак. Иконка канала Математические теоремы: между теорией и практикой.
Симметрия, суперсимметрия и супергравитация
Теории, включающие суперсимметрию, дают возможность решить несколько проблем, присущих Стандартной модели. Так что суперсимметрия должна нарушаться в том смысле, что отношения, предсказанные теорией суперсимметрии, не могут быть строгими. Суперсимметрия предполагает удвоение (как минимум) числа известных элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров. Причём из теории суперсимметрии следует существование новых частиц — аналогов уже известных элементарных частиц. Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить вещество во взаимодействие, и суперсимметрии выдвигалась многими. Суперсимметрия доминировала над физикой частиц десятилетиями, и исключила почти все альтернативные физические теории, выходившие за рамки СМ.
«Вселенная удваивается»
Она прогнозирует, что каждая частица в Стандартной модели может обладать пока не обнаруженным партнером. Это касается даже знакомых нам частиц вроде электронов. Суперсимметрия предсказывает, что у электронов есть партнеры «селектроны», у фотонов — «фотино» и так далее. Вот все пробелы в физике, которые может исправить суперсимметрия. Суперсимметрия может объяснить, почему бозон Хиггса такой легкий Несмотря на то, что Стандартная модель предсказала существование бозона Хиггса, его обнаружение проделало еще одну трещину в теории. Хиггс, который физики наблюдали на БАК в 2012 году, намного легче, чем ожидалось. Стандартная модель предсказывает, что бозон Хиггса в триллионы раз тяжелее, чем тот, что наблюдали физики во время первого запуска БАК, как говорит Дон Линкольн, физик из Лаборатории Ферми. Будучи частицей, которая дает массу другим частицам, Хиггс должен быть очень тяжелым, поскольку взаимодействует с огромным числом частиц. Частицы-партнеры, предсказываемые суперсимметрией, могли бы поправить это.
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.
ЦЕРН: теория суперсимметрии под вопросом Наука 13. Сотрудники Европейского центра ядерных исследований ЦЕРН , работающие на Большом адронном коллайдере, обнаружили чрезвычайно редкий случай распада элементарных частиц. Это наблюдение наносит значительный урон теории суперсимметрии. Она основана на предположении, что существует гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить вещество во взаимодействие, и наоборот. Теория суперсимметрии выдвигалась многими физиками-теоретиками в качестве средства объяснения некоторых несоответствий в Стандартной модели Вселенной. Эти физики очень рассчитывали получить с помощью Большого адронного коллайдера первое экспериментальное подтверждение этой теории. Однако новое наблюдение, о котором было доложено на конференции по физике адронного коллайдера в Киото, противоречит многим моделям в рамках теории суперсимметрии.
Выбор совершенно случаен спонтанен , но как только осёл сделал первое телодвижение, запах вожделенной еды, исходящий от ставшего чуть ближе стога, стал немного сильнее, и, стало быть, назад он уже не пойдёт. Таким образом, не остаётся никаких шансов на дальнейшее удержание симметрии. А вот другой, менее курьёзный пример. Представим себе, что маленький теннисный мячик лежит на слабо накачанном закреплённом баскетбольном мяче, продавив ямку в его верхней точке. Очевидно, что такая конфигурация абсолютно симметрична относительно вертикальной оси, проходящей через центры обоих мячей. Станем накачивать баскетбольный мяч. Как только вогнутость в его верхней точке исчезнет, теннисный мячик немедленно скатится вниз и в непредсказуемом направлении. Заметим, что в ходе этого эксперимента мы не совершали никакого асимметричного воздействия на систему, но тем не менее симметрия нарушилась и притом необратимо. В результате нарушения киральной симметрии в модели Намбу—Йона-Лазиньо возникали мезоны, а фермионы приобретали значительную массу и становились более похожими на нуклоны. Эта модель не была вполне последовательной, но она во многом предвосхитила появление через 10 лет настоящей теории сильных взаимодействий — квантовой хромодинамики, которой органически присуще спонтанное нарушение киральной симметрии. Стоит отметить также и то, что спустя несколько лет в 1965 году , когда уже стало понятно, что адроны состоят из кварков, Намбу вместе с Ханом были первыми, кто показал, что кварки взаимодействуют посредством восьми векторных частиц то есть со спином 1 , которые позднее назвали глюонами. Таким образом, Намбу стал одним из авторов представления о «цвете» кварков. Подобно электрическому, цветовые заряды характеризуют кварки и взаимодействия между ними. Сам по себе это был фундаментальный результат вполне нобелевского класса. Кобаяши и Маскава поделили вторую половину премии. Их вклад в современную физику связан с двумя другими симметриями — пространственной и зарядовой. Смысл первой иллюстрируется картиной, которая получается при отражении предмета в зеркале. Оно может быть либо тождественно самому предмету — например, отражение букв О или Ф, либо нет — например, отражение буквы И. В мире микрочастиц всё сложнее: там лучше говорить не о симметрии, а о чётности волновой функции, которая описывает физическую систему. Ясно, что в результате двукратного отражения ничего измениться не должно, но при каждом отражении эта функция, вообще говоря, может поменять знак на противоположный. Если этого не происходит, состояние называют чётным, в противном случае — нечётным. Возможность того, что при слабых взаимодействиях пространственная «зеркальная» чётность может изменяться, была предсказана в 1956 году американскими физиками Ли Цзундао и Янг Чженьнин, а спустя год американский физик Ву Цзяньсюн экспериментально обнаружила, что такой эффект действительно имеет место: до взаимодействия состояние может быть чётным, а после него стать нечётным, и наоборот. Вскоре после этого советский физик Л. Ландау сформулировал гипотезу, согласно которой при любых взаимодействиях должна сохраняться комбинированная чётность — волновая функция не меняет знак при зеркальном отражении Р и одновременной замене частиц античастицами последнюю операцию называют зарядовым сопряжением и обозначают буквой С. Гипотезу назвали СР-инвариантностью.
Первый маленький шаг в этом направлении сделан: открыт хиггсовский бозон и началось его изучение. Но это был подготовительный шаг, а настоящая задача коллайдера — достоверное обнаружение хоть какого-то отклонения от Стандартной модели — пока не решена. Как ищут проявления суперсимметрии Рис. Типичный подход к поиску суперсимметрии на Большом адронном коллайдере. Частицы-суперпартнеры рождаются в парах, но распадаются поодиночке, и после каскада распадов от них остаются стабильные и неуловимые легчайшие суперсимметричные частицы, например нейтралино. Среди всех моделей особняком стоят теории, опирающиеся на суперсимметрию. Это слово обозначает глубокую, математически самосогласованную идею о том, что наш мир обладает симметрией нового типа, которая связывает между собой, говоря совсем условно, частицы материи и действующие между ними силы. Подробнее про суперсимметрию на доступном языке читайте и слушайте в материалах Дмитрия Казакова. Идея суперсимметрии проверяема в эксперименте, по крайней мере в принципе. Суперсимметричные теории предсказывают множество новых частиц, суперпартнеров обычных частиц. У кварков, глюонов, лептонов, гравитонов и всех других частиц есть суперпартнеры: скварки, глюино, слептоны, гравитино и т. Проблема только в том, что эти новые частицы — тяжелые, и никто не может заранее сказать, насколько. 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.
"Теория проигрывает эксперименту": новый кризис в физике высоких энергий?
му же, в этом случае у нас исчезают расходимости в первом порядке теории возмущений, что тоже является одним из плюсов суперсимметрии. Существует много споров об этой теории, но суперсимметрия является одним из наиболее привлекательно возможных расширений Стандартной модели и ведущим претендентом в. Одна из задач, которую ученые пытаются решить с помощью БАК, – это получение экспериментального подтверждения теории Суперсимметрии. В чем заключается «кризис суперсимметрии», как «поделить» физику высоких энергий и для чего нужно строить у себя установки класса megascience, в интервью.
«Вселенная удваивается»
М-теория Оставалась еще одна проблема, которая не давала покоя теоретикам струн того времени. Тщательная классификация показала существование пяти различных последовательных теорий струн, и было непонятно, почему природа должна выбирать одну из пяти. И здесь в игру вступает М-теория. Во время второй революции струн в 1995 году физики предположили, что пять последовательных теорий струн на деле являются разными лицами уникальной теории, которая существует в одиннадцати пространственно-временных измерениях и называется М-теорией. Она включает каждую струнную теорию различных физических контекстов, при этом оставаясь рабочей для всех. Эта невероятно увлекательная картина привела большинство теоретических физиков к идее, что М-теория станет теорией всего — и она также математически более последовательна, чем все остальные предлагаемые теории. Как бы то ни было, пока что М-теория не смогла произвести прогнозы, которые могут быть проверены экспериментально. Суперсимметрия в настоящее время тестируется на Большом адронном коллайдере.
Если бы ученые смогли найти признаки существования суперпартнеров, это окончательно укрепило бы позиции М-теории. Но современная теоретическая физика пока не в состоянии дать проверяемые прогнозы, а экспериментальная не может представить для этой проверки эксперименты. Большинство великих физиков и космологов одержимы желанием найти это прекрасное и простое описание мира, которое могло бы объяснить все. И хотя мы пока далеки от этого, без гениальных и творческих людей вроде Хокинга это было бы и вовсе невозможно.
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. 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 не согласны с этими обвинениями: они полвека гонялись за бозоном Хиггса и уже почти опустили руки, пока матушка природа чуть ли не вложила его им в ладони. Тем временем космологи весьма разношерстная группа ученых , наконец сошлись во мнениях о стандартной модели нашей Вселенной. О ней мы тоже больше ничего не знаем. В целом о существовании этой темной стороны вселенной мы знаем только по аномальной скорости вращения звезд и галактик. Вряд ли это может означать конец науке. В конце концов, мы можем заблуждаться в наших представлениях о гравитации.
Лучший подарок для любого современного физика — это новые неожиданные свидетельства, которые могли бы пошатнуть «стандартные модели». Возможно, прорыв случится, когда мы выясним природу темной материи. Возможно, что-то новенькое нам подкинет Большой адронный коллайдер, где каждое зарегистрированное столкновение частиц — новый шаг в неизвестность. Во вселенной может быть 11 измерений. А может быть, она — лишь плод чьей-то фантазии. Может быть, жизнь зародилась на Марсе, а может, мы — биты информации в компьютерной симуляции.
Сам поиск истины о нашем существовании и мире вокруг нас — вечный источник человеческого вдохновения, будь то музыка, искусство или наука. Пока поиск продолжается, у нас есть смысл жизни.
Новые данные сверхскоростного столкновения протонов представили новые доказательства субатомной деятельности, которые согласуются с основой стандартной модели физики элементарных частиц. Чтобы понять важность этих результатов, нужно вернуться к основам. Как мы знаем, стандартная модель описывает элементарные частицы, которые составляют вселенную, а также их взаимодействие.
В настоящее время это одно из лучших описаний субатомного мира, в соответствии с церн, которое, однако, имеет ряд брешей. Она не может описать гравитацию, не объясняет существование темной материи и не может предсказать массу бозона хиггса. К стандартной модели создаются дополнения, но ученые непрерывно ищут расхождения внутри нее, которые могут указать в направлении новой физики.
«Обнаруженные частицы Хиггса подтверждают теорию суперсимметрии»
Она заставляет нас думать, что направление вниз отличается от направления вверх или влево. Но это явное различие не является свойством законов природы. Различие возникает из-за близости Земли, прячущей от нашего взора вращательную симметрию. Вопрос в том, что если какой-то аспект нашего мира не такой грубый, как Земля, но какой-нибудь незаметный, вроде поля Хиггса прячет от нашего взора суперсимметрию по всей Вселенной?
Что тогда? Оказывается, что довольно легко получить такой же мир, как наш, где суперпартнёры известных части существуют, просто стали тяжелее — слишком тяжёлыми для того, чтобы мы обнаружили их в экспериментах. Вы видите, что нарушение суперсимметрии то, что она прячется и её нелегко обнаружить увеличило масштаб масс всех суперпартнёров так, что вся массовая шкала находится выше массы верхнего кварка.
И это не так искусственно или глупо, как кажется — математика с готовностью принимает этот эффект. Существует множество точных примеров того, как это может произойти — но их слишком много для того, чтобы мы догадались, какой из них наиболее вероятен. И это не единственная схема, способная возникнуть при нарушении суперсимметрии!
Существует большое количество других возможностей, которые я буду называть вариантами суперсимметрии. 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.
Суперсимметрия, связывающая в природе все элементарные частицы и утверждающая, что они представляют собой, так сказать, суперзеркальные отражения одного и того же, в качестве гипотезы была предложена в начале семидесятых и очень хорошо описывала все происходящее в микромире.
Даже исключения, называемые "нарушениями суперсимметрии", не столько огорчали, сколько раззадоривали физиков. Однако теория, за свою красоту многими воспринимаемая как истина в последней инстанции, все же осталась гипотезой, не подтвержденной прямыми экспериментами. Согласно ей, у каждой частицы существует "двойник".
Его очень трудно обнаружить, но не быть его не может.
Причем это нарушение должно происходить при той же энергии, при которой нарушается электрослабая симметрия, в точке, когда переносчики слабого взаимодействия — W- и Z-бозоны — становятся массивными, а переносчики электромагнитного — фотоны — остаются безмассовыми. Считалось, что такое нарушение происходит при энергиях около 250 гигаэлектронвольт.
Однако результаты БАКа показывают, что «точка разрыва» находится выше этого значения. Теория допускает существование тяжелых суперсимметричных частиц, однако модели становятся слишком сложными. Кроме того, суперсимметричных теорий довольно много - и эти эксперименты затронули одну-две из них», - сказал он РИА «Новости».
Подписывайтесь на «Газету. Ru» в Дзен и Telegram.
Это маленькие группы, как видно по небольшим числам в скобках. Но более крупные группы симметрии зачастую содержат в себе несколько групп поменьше, так что одна большая группа, чья симметрия нарушается при высоких энергиях, могла бы породить Стандартную модель при энергиях, которые мы исследуем. Получается, теория Великого объединения — словно некий слон, а у нас сейчас, на низких энергиях, есть от него лишь ухо, хвост и нога. Целиком слон восстановится только при энергии объединения, оцениваемой примерно в 1016 ГэВ, что на 15 порядков превышает энергии Большого адронного коллайдера. Сначала для симметрии Великого объединения была предложена самая маленькая группа, содержащая группы симметрии Стандартной модели, — SU 5. Такие объединенные силы в общем случае допускают новые взаимодействия, позволяющие протонам распадаться.
А если протоны нестабильны, значит, нестабильны и ядра атомов. В подобных теориях объединения время жизни протона может достигать 1031 лет, существенно превышая возраст Вселенной на текущий момент. Однако в соответствии с квантовой механикой это попросту означает, что среднее время жизни протона таково. Раз протоны вообще могут распадаться, значит, это может происходить и быстро — просто быстрые распады будут событиями редкими. В каждой молекуле воды 10 протонов, а в каждом литре воды около 1025 молекул воды. Поэтому вместо того, чтобы ждать 1031 лет, дабы увидеть распад одного протона, мы можем следить за огромным объемом воды, ожидая, пока распадется один из тамошних протонов. Подобные эксперименты проводятся с середины 1980-х годов, но еще никто не засек распада протона. Текущие наблюдения а точнее, отсутствие оных намекают на то, что среднее время жизни протона больше 1033 лет.
Так что SU 5 -модель Великого объединения исключается. Следующей была предложена группа побольше — SO 10 , в этой модели объединения верхняя граница для времени жизни протона проходит повыше. С тех пор опробованы были еще несколько групп симметрии, и в некоторых моделях верхняя граница для времени жизни протона сдвинута аж до 1036 лет, что на порядки превышает даже возможности будущих экспериментов. Помимо распада протона теории Великого объединения также предсказывают существование новых частиц, поскольку крупные группы содержат больше, чем есть в Стандартной модели. Предполагается, как обычно, что эти новые частицы слишком тяжелые, поэтому пока и не могли быть замечены. Таким образом, сейчас у физиков-теоретиков есть широкий ассортимент теорий объединения, застрахованных от опровержения на основании экспериментов в обозримом будущем. Само по себе Великое объединение между тем не решает проблемы с массой бозона Хиггса. Физикам приходится еще и суперсимметризовать Великое объединение.
Мы знаем, что суперсимметрия — если это суперсимметрия природы — должна нарушаться при энергиях выше тех, что нами пока достигнуты, ведь мы еще не засекли суперсимметричных частиц. Но мы так пока и не знаем, при какой энергии симметрия восстанавливается — и происходит ли это вообще. Аргумент, согласно которому суперсимметрия должна придать массе бозона Хиггса естественность, подразумевает, что энергия, при которой суперсимметрия нарушается, на Большом адронном коллайдере должна быть уже достигнута. Добавление суперсимметрии к Великому объединению не только еще больше увеличивает число симметрий — дополнительное преимущество в том, что это приводит к небольшому продлению времени жизни протона. Так, некоторые варианты суперсимметричной SU 5 -модели и поныне держатся на грани жизнеспособности. Тем не менее основная причина для добавления суперсимметрии заключается в числовом совпадении, которое мы обсуждали в четвертой главе, — в объединении констант взаимодействий см. Кроме того, теории Великого объединения имеют более строгую структуру, чем Стандартная модель, что добавляет им привлекательности.
Большой адронный коллайдер нанес еще один удар теории суперсимметрии.
Суть работ на коллайдере заключается в изучении столкновения двух пучков протонов с суммарной энергией 14 ТэВ на один протон. Эта энергия в миллионы раз больше, чем энергия, выделяемая в единичном акте термоядерного синтеза. Кроме того, будут проводиться эксперименты с ядрами свинца, сталкивающимися при энергии 1150 ТэВ. Ускоритель БАК обеспечит новую ступень в ряду открытий частиц, которые начались столетие назад. Тогда ученые еще только обнаружили всевозможные виды таинственных лучей: рентгеновские, катодное излучение. Откуда они возникают, одинаковой ли природы их происхождение и, если да, то какова она? Сегодня мы имеем ответы на вопросы, позволяющие гораздо лучше понять происхождение Вселенной. Однако в самом начале XXI века перед нами стоят новые вопросы, ответы на которые ученые надеются получить с помощью ускорителя БАК. И кто знает, развитие каких новых областей человеческих знаний повлекут за собой предстоящие исследования.
У теоретиков есть еще чисто психологические моменты. Люди, которые никогда не изучали суперсимметрию, могут относится к ней скептически, но они же, изучив предмет, с трудом готовы поверить, что природа обходится без такой красоты. Конечно, на суперсимметрии или на теории струн свет клином не сошелся — ученые разрабатывают и другие подходы к физике за пределами Стандартной модели. Но мне кажется, что в целом состояние отрасли, если иметь в виду теорию, довольно плачевное. С другой стороны, несмотря на все усилия, понимания того, как устроен мир на энергиях, превышающих типичные значения для Стандартной модели, у нас по-прежнему нет.
Можно сравнить эту ситуацию с тем, как развивалась фундаментальная физика в 1950-е — 70-е годы: сначала вел эксперимент, все более мощные ускорители постоянно открывали большое число новых частиц, и совершенно непонятно было, как все это описывать и классифицировать. Старые подходы не работали. В 1959 году, выступая на конференции по физике высоких энергий в Киеве, Лев Ландау объявил, что прежний, гамильтонов, подход к теории поля умер, и остается лишь организовать ему достойные похороны. Возникли новые методы, в которых было очень много красивой математики, но не так уж много физического содержания. Но уже через десять лет в рамках старого, уже, казалось бы, похороненного подхода, появилась теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, и Стандартная модель, появились соответствующие предсказания, которые затем были блестяще подтверждены в новых экспериментах.
Последнее из этих подтверждений — обнаружение хиггсовского бозона, это, так сказать, теоретический привет из шестидесятых. Само по себе это нормально, но вопрос о том, сменится ли эта фаза реальным прогрессом в понимании природы, остается, на мой взгляд, открытым. Прошлые успехи не гарантируют успеха в будущем. Кроме того, сейчас имеется серьезная объективная трудность: в отличие от 1950-х годов, у нас сейчас не так много экспериментальных данных. Вот если бы БАК или другой ускоритель нашли бы "новую физику", тогда дело бы пошло веселей.
А так, в основном, мы имеем только косвенные подтверждения, что новая физика есть. По сути, мы сейчас идем за экспериментами — мы строим коллайдер, он, к счастью, находит бозон Хиггса, но не открывает микро-черные дыры или какие-то другие новые и интересные объекты, вроде суперпартнеров. Теоретики задыхаются от недостатка новых данных и у них, образно говоря, начинаются разнообразные сугубо математические галлюцинации… И это все при том, что острые нерешенные вопросы еще у нас есть. Мне, теоретику, ситуация, в которой теория становится ведомой, совсем не по душе. Мне кажется, что вопрос "нужно ли идти дальше?
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 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. 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.
Чтобы понять важность этих результатов, нужно вернуться к основам. Как мы знаем, Стандартная модель описывает элементарные частицы, которые составляют Вселенную, а также их взаимодействие. В настоящее время это одно из лучших описаний субатомного мира, в соответствии с ЦЕРН, которое, однако, имеет ряд брешей. Она не может описать гравитацию, не объясняет существование темной материи и не может предсказать массу бозона Хиггса. К Стандартной модели создаются дополнения, но ученые непрерывно ищут расхождения внутри нее, которые могут указать в направлении новой физики. И теория суперсимметрии является одним из лучших кандидатов на замену СМ.
Физики в Копенгагене подвели итоги 15-летнего пари о теории суперсимметрии
| СУПЕРСИММЕТРИЯ • Большая российская энциклопедия - электронная версия | Несмотря на кажущуюся катастрофу, изначальная теория суперсимметрии даёт нам простой и правдоподобный выход из ситуации. |
| СУПЕРСИММЕТРИЯ • Большая российская энциклопедия - электронная версия | SIS’23 привлекло ведущих специалистов в квантовой теории поля и современной математической физики. |
| С теорией суперсимметрии придётся расстаться | Андрей Орлов | Дзен | Если рассмотреть квантовую электродинамику, то это теория с не очень большим, по сравнению с суперсимметрией, количеством симметрий. |
| Нобелевская премия по физике 2008 года. Нобелевская асимметрия | Во всех теориях суперсимметрии предполагается, что персимметрию уже на основе первых данных с БАК. |
| Обнаруженные частицы Хиггса подтверждают теорию суперсимметрии | Теория струн предсказывает, что между этими двумя частицами существует связь, называемая суперсимметрией, при которой для каждого фермиона должен существовать бозон, и наоборот. |
Нобелевская премия по физике 2008 года. Нобелевская асимметрия
В частности, одно суперсимметричное расширение Стандартной модели , Минимальная суперсимметричная стандартная модель MSSM , стало популярным в теоретической физике элементарных частиц, поскольку минимальная суперсимметричная стандартная модель является простейшим суперсимметричным расширением Стандартной модели, которое могло бы решить основные проблемы иерархии в пределах Стандартная модель, гарантирующая, что квадратичные расходимости всех порядков будут сокращаться в теории возмущений. Если суперсимметричное расширение Стандартной модели верно, суперпартнерами существующих элементарных частиц будут новые и неоткрытые частицы, и ожидается, что суперсимметрия будет спонтанно нарушена. Нет никаких экспериментальных доказательств того, что суперсимметричное расширение Стандартной модели является правильным или могут ли другие расширения текущих моделей быть более точными. Только примерно с 2010 года ускорители элементарных частиц, специально разработанные для изучения физики, выходящей за рамки Стандартной модели, начали работать например, Большой адронный коллайдер LHC , и неизвестно, где именно искать, и не известно, где именно искать, ни энергии, необходимые для успешного поиска. Однако отрицательные результаты LHC с 2010 года уже исключили некоторые суперсимметричные расширения Стандартной модели, и многие физики считают, что минимальная суперсимметричная стандартная модель , хотя и не исключена, больше не может полностью решить проблему иерархии. Суперсимметричные расширения Стандартной модели Основная статья: Минимальная суперсимметричная стандартная модель Включение суперсимметрии в Стандартную модель требует удвоения количества частиц, поскольку никакие частицы в Стандартной модели не могут быть суперпартнерами друг друга. С добавлением новых частиц появляется много возможных новых взаимодействий.
Простейшей возможной суперсимметричной моделью, совместимой со Стандартной моделью, является минимальная суперсимметричная стандартная модель MSSM , которая может включать необходимые дополнительные новые частицы, которые могут быть суперпартнерами частиц в Стандартной модели. 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.
Наиболее популярным кандидатом на роль вещества, которое могло бы сформировать первичные черные дыры, выступает темная материя, представляемая суперсимметричными частицами. Ученые полагают, что такого типа симметрия существовала на ранних этапах развития Вселенной, но в процессе ее старения расширения и охлаждения она нарушилась. Свои аргументы ученые из Университета Джонса Хопкинса основывают на двух обстоятельствах. Во-первых, современные модели предполагают, что первичные черные дыры попадают в интервал масс от десяти до ста солнечных.
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.
Вот все пробелы в физике, которые может исправить суперсимметрия. Хиггс, который физики наблюдали на БАК в 2012 году, намного легче, чем ожидалось. Стандартная модель предсказывает, что бозон Хиггса в триллионы раз тяжелее, чем тот, что наблюдали физики во время первого запуска БАК, как говорит Дон Линкольн, физик из Лаборатории Ферми. Будучи частицей, которая дает массу другим частицам, Хиггс должен быть очень тяжелым, поскольку взаимодействует с огромным числом частиц. Частицы-партнеры, предсказываемые суперсимметрией, могли бы поправить это. Если они существуют, эти дополнительные частицы отменяли бы вклад партнеров в массу Хиггса. Потому бозон Хиггса был бы легким, как мы его и наблюдали. Это естественное объяснение куда более желательно, чем внесение корректировок в существующую Стандартную модель. Когда вы вынуждены править теории, объясняющие то, что вы в действительности наблюдаете, это знак того, что «вы на самом деле не знаете, что делаете», говорит Линкольн, а эта теория, по всей видимости, неправильная или неполная. Самые легкие суперсимметричные частицы, предсказываемые в рамках теории, могут быть неуловимыми частицами темной материи, на которые охотятся физики десятилетиями. Суперсимметрия предсказывает, что у этой частицы будет нейтральный заряд и она едва ли будет взаимодействовать с любой другой частицей. Примерно такое описание физики ждут от частиц темной материи. Темная материя невидима, поэтому частицы, из которых она состоит, должны быть нейтральными, иначе будут рассеивать свет и станут видимыми. Эти частицы также ни с чем не взаимодействуют, иначе мы бы их уже обнаружили.