Зачем физики ищут симметрию между элементарными частицами, и почему для работы теории струн нужно двадцать шесть измерений. С момента ввода в обиход теории суперсимметрии и до настоящего времени эта теория являлась лишь только неподтвержденной физической гипотезой. С ней должна уйти на покой теория расширения пространства, из которой происходят теории тёмной материи и энергии. Теория струн предсказывает, что между этими двумя частицами существует связь, называемая суперсимметрией, при которой для каждого фермиона должен существовать бозон, и наоборот. Теория Суперсимметрии имеет дело с Суперпространством, в котором трехмерие дополняется принципиально ненаблюдаемыми измерениями.
Суперсимметрия не подтверждается экспериментами, и физики ищут новые идеи
В новостях можно иногда встретить утверждение, что отрицательные данные LHC ставят крест на идее суперсимметрии. Лектор рассказывает о теории суперструн, голографических чёрных дырах, столкновениях параллельных вселенных и о других интересных явлениях. Это позволяет связать суперсимметрии и деформации пространственно-временной метрики, которые, согласно общей теории относительности, и есть причина тяготения. Однако Тара Шиарс отказалась полностью отвергнуть теорию суперсимметрии и заметила, что не нашли подтверждения выводы ее упрощенной версии, а не более сложного варианта. Теория Суперсимметрии имеет дело с Суперпространством, в котором трехмерие дополняется принципиально ненаблюдаемыми измерениями.
"Теория проигрывает эксперименту": новый кризис в физике высоких энергий?
особенностями обладают различные элементарные частицы? Когда была была предложена теория, предполагающая связь. Поскольку суперсимметрия является необходимым компонентом теории суперструн, любая обнаруженная суперсимметрия будет согласована с теорией суперструн. ОКО ПЛАНЕТЫ» Наука и техника» Новость дня» Крах теории суперсимметрии: большой адронный коллайдер ничего не нашел. Суперсимметрия часто описывается как трамплин для теории струн — чтобы она стала возможной, необходима некоторая версия суперсимметрии. Теория суперсимметрии основывается на стандартной модели физики, которая включает гравитацию и объясняет существование темной материи и темной энергии.
Суперсимметрия и суперкоординаты
Я не намерен тут приводить ни нобелевскую лекцию П. Суть СРТ-теоремы в том, что в рамках квантовой теории поля Людерсом и Паули была доказана фундаментальная теорема о том, что "Квантовые системы инвариантны относительно СРТ- преобразования в любой последовательности. Максаков Александр Николаевич Материя это и есть энергия, эта энергия меняет состояние материи, вид, распад квантовый это выделение энергии. Может нам стоит исследовать эту энергию, св-ва её а не св-ва полученной материи! Что мы знаем о энергия? Одной можно нагреть, другой подвинуть... Говорим по сути о потенциальной и киретической, вот не реагирует тёмная энергия, и не знаем ничего о тёмной матери...
Тёмной материи-то с какой стати?! Это так, по мелочи, для начала... Автор, похоже, толком не разбирается в том, о чём вещает, потому что сам процесс болтовни для него - главное, а что там сказано - он через 5 минут и не вспомнит. Вот уж где примут как родного.
Тем не менее открытие суперсимметрии по крайней мере даст апологетам теории струн знать, что они идут в правильном направлении. Как разлетаются бозоны Физики думают, что мы найдем доказательства суперсимметрии? Несмотря на десятилетия поисков, никто не нашел никаких доказательств суперсимметрии. Впрочем, великие теории открывались не за два-три года. К примеру, почти полвека понадобилось на то, чтобы открыть бозон Хиггса с момента теоретического предположения его существования. Потому, хотя мы и не видим доказательств суперсимметрии, эта теория остается очень мощной. Тем не менее Вселенной абсолютно все равно, насколько идеальными наши теории ни казались бы, говорит Линкольн. Многие физики говорят, что мы должны были найти доказательства суперсимметричных частиц уже в первый запуск БАК, поэтому теория вполне может быть не ахти. Но только потому, что мы не видели каких-либо суперсимметричных частиц, еще не означает, что их нет. Может быть, есть что-то в том, как суперсимметрия проявляется, чего мы пока не понимаем. Может, нужен более мощный коллайдер, чтобы частицы-суперпартнеры проявили себя. Мы не узнаем этого, пока БАК не заработает. Если суперсимметрия была вне досягаемости по уровню энергии во время последнего запуска, данные этого года могут быть совершенно неописуемыми. Конечно, мы можем ничего и не найти. Но это тоже пойдет нам на пользу. Если суперсимметрия ошибочна, это откроет дверь к новому набору теорий.
Новые результаты, детализированные в двух статьях, не исключают эту гипотезу полностью, но устанавливают новые пределы для ее обнаружения. Теория суперсимметрии под угрозой 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.
Вполне возможно, что гравитационные волны помогут нам заглянуть в самые ранние эпохи жизни Вселенной, когда она еще не была прозрачной для света. Может быть, наши коллеги найдут там что-то, что перевернет не только космологию, но и выведет физику частиц на новый уровень. Как показывают примеры темной материи и темной энергии, проблемы макро- и микромира неразрывно связаны между собой. Есть, конечно, и более пессимистический сценарий — не исключено и то, что мы просто достигли пределов человеческого знания и способности познавать мир. Кто-то из великих физиков, кажется, Леонард Сасскинд, любит говорить, что коту можно объяснять квантовую механику до посинения, но он никогда не поймет, как решать уравнение Шредингера. Мне вот кажется, что котик просто отлично понимает, что его покормят колбаской и без всякого уравнения Шредингера. Лично я, как простой советский человек, усердно конспектировавший "Материализм и эмпириокритицизм", верю в бесконечность познания и неисчерпаемость наших возможностей расширять пределы науки. К сожалению, этого не произошло и не понятно, произойдет ли в будущем. Вероятность этого, на мой взгляд, крайне мала, но экспериментаторы скрипят зубами, но продолжают эти поиски. Что касается гравитационных волн от астрофизических черных дыр, ситуация тут сложнее, так как эти волны больше касаются классической физики, нежели квантовой гравитации. Могут ли они дать нам что-то принципиально новое в смысле обобщений теории гравитации, я не знаю. Их изучение было бы интересным, однако тут мы столкнемся с теми же ограничениями и проблемами, которые накладываются теорией струн и отсутствием надежных предсказаний. Схема ускорительного комплекса проекта NICA К примеру, если попытаться оценить космологическую постоянную Эйнштейна из соображений размерности — она обратно пропорциональна квадрату планковской длины, то у нас получится значение, на 120 порядков превышающее то, что мы наблюдаем в реальности. Это, как часто говорят, худшее предсказание теоретической физики за всю ее историю. Почему это так, и почему космологическая постоянная так мала, но не равна нулю, мы не знаем, и это еще одна из демонстраций того, что теоретическая физика высоких энергий находится в кризисе. Кстати, в этом году Кумрун Вафа, знаменитый физик-теоретик из Гарвардского университета, и его коллеги опубликовали работу, из которой вроде бы следует, что теория струн не совместима с существованием космологической модели с положительной космологической постоянной. К их числу относится и наша Вселенная. Правда, там есть разные допущения. Жаркие споры по этому поводу сейчас сотрясают научное сообщество. Этого не произошло, и сама судьба коллайдера сейчас стала довольно туманной. Почему ILC? Иными словами, нам хотелось перенести хотя бы часть переднего края науки на территорию нашей страны. Сам факт существования подобной установки очень сильно стимулирует развитие науки и новых технологий. В последние 30 лет сложилась ситуация, при которой во многих отраслях научного знания реальные открытия и их обсуждение происходит где-то "там", а не здесь, в России. Это демотивирует всех и прежде всего молодых ученых.
Новые методы в классической и квантовой теории поля с расширенной суперсимметрией
особенностями обладают различные элементарные частицы? Когда была была предложена теория, предполагающая связь. Одна из задач, которую ученые пытаются решить с помощью БАК, – это получение экспериментального подтверждения теории Суперсимметрии. Физики со всего мира на встрече в Копенгагене подвели итоги пари, касающегося теории суперсимметрии, пишет научно-популярное издание Quanta. Лектор рассказывает о теории суперструн, голографических чёрных дырах, столкновениях параллельных вселенных и о других интересных явлениях. Поскольку суперсимметрия является необходимым компонентом теории суперструн, любая обнаруженная суперсимметрия будет согласована с теорией суперструн. Самая амбициозная теория – теория струны, претендующая на единое описание всех сил природы, требует суперсимметрии для непротиворечивости и устойчивости.
Адронный коллайдер подтвердил теорию суперсимметрии
Весь этот мусор, наконец, пойдёт в корзину истории и я рад этому, потому что давно пишу об ошибочности этих теорий. Но у официальной физики нет им альтернативы. Вернее, альтернативных теорий довольно много, но они не признавались и не проверялись, так как противоречили общепризнанным и сколько теперь понадобится времени на отсев, проверку, а главное объединение других теорий сказать сложно. По моей теории квантового пространства за пол года так и не прислали ответа не из РАН, не из Физико-технологического института, не из Китайской Академии. А жаль...
Хотя они может ещё про неё и вспомнят. Почему "однобокая", да потому что "привязана" только к восприятию исключительно "нашего" мира, который определяется "на ощуп". В "нашем" мире точно нет суперсимметрии. И темная материя с темной энергией, а также с виртуальными частицами никак в этот "однобокий" мир не вписываются.
Главное понять, что есть реальный физический мир. Но сразу надо определиться с так называемой темной энергией.
Нобелевская асимметрия Доктор физико- математических наук И. Начнём с Йоичиро Намбу, поскольку он старший по возрасту и получил «львиную долю» — половину всей премии. Около полувека тому назад, задолго до появления в обиходе физиков слова «кварк», Намбу совместно с итальянским физиком Джованни Йона-Лазиньо высказали гипотезу относительно глубинных причин, управляющих «устройством» и свойствами казавшегося довольно сумбурным «зоопарка» адронов, каковых в то время было уже известно несколько десятков. Опираясь на аналогию со сверхпроводимостью, которой Намбу занимался до этого, они построили весьма своеобразную модель сильного взаимодействия этих частиц. Её основными объектами были не хорошо известные нуклоны — протоны и нейтроны, а некие гипотетические, очень лёгкие частицы, которых в природе не оказалось роль, которую они играли в этой модели, впоследствии взяли на себя кварки ; мезонов же в теории изначально не было вообще. Но, пожалуй, самое главное, что вакуум перестал играть роль «стороннего наблюдателя» за распространением частиц, а превратился в активного участника процесса.
Математически это выглядело как появление новой симметрии — так называемой киральной, которая спонтанно нарушалась, а физически, как и в случае сверхпроводимости, было проявлением того общего положения, что система фермионов с притяжением между частицами не вполне устойчива. Именно эта неустойчивость привела к образованию конденсата — когерентного состояния сильновзаимодействующих частиц, минимизирующего энергию системы, подобно тому как это делают куперовские пары в сверхпроводниках см. Что такое спонтанное нарушение любой симметрии, поясним на примере. Всем известный буриданов осёл, стоя посередине между двумя стогами сена, долго не мог решить, к какому из них направиться. Пока дело обстоит таким образом, картина вполне симметрична. Но, в конечном счёте, он всё же должен пойти к одному из них — не умирать же ему с голоду. 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. Долгое время её считали таким же незыблемым законом сохранения, как, скажем, закон сохранения энергии, которому подчиняются все процессы.
Квантовые флуктуации суперсимметричных частиц отлично уравновешивают таковые у обычных частиц, что возвращает диапазон масс бозона Хиггса к приемлемым значениям. Теоретики также обнаружили, что теория суперсимметрии может решить другие проблемы. Некоторые из самых легких суперсимметричных частиц могут оказаться темной материей, за которой астрофизики охотятся с 1930-х годов. Теория суперсимметрии может быть использована для объединения всех взаимодействующих сил во Вселенной, кроме гравитации — это был бы большой шаг к единой теории поля, объединяющей и объясняющей всю известную физику. Пока что коллайдеры не дали подтверждения теории суперсимметрии. Частицы-суперпартнеры должны оказаться намного тяжелее обычных частиц. А в настоящее время БАК быстро накапливает данные при еще более высоких энергиях, сокращая "тяжелую область" для суперчастиц. К концу года он достигнет 1000 ГэВ, что потенциально исключит некоторые вариации теории суперсимметрии, которым отдавалось наибольшее предпочтение.
Если суперсимметричные частицы включены в Стандартную модель, они бы тесно связали три из четырех фундаментальных сил, которые описываются Стандартной моделью: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие. Суперсимметрия будет означать, что все эти три силы будут обладать одной и той же силой на очень высоких энергетических уровнях. Многомерное пространство Калаби-Яу В частности, суперсимметрия может укрепить теорию струн. Суперсимметрия часто описывается как трамплин для теории струн — чтобы она стала возможной, необходима некоторая версия суперсимметрии. Теория струн остается одним из ведущих кандидатов на «теорию всего», которая объединит всю физику. Тем не менее проверить ее экспериментально чрезвычайно трудно. Тем не менее открытие суперсимметрии по крайней мере даст апологетам теории струн знать, что они идут в правильном направлении. Как разлетаются бозоны Физики думают, что мы найдем доказательства суперсимметрии? Несмотря на десятилетия поисков, никто не нашел никаких доказательств суперсимметрии. Впрочем, великие теории открывались не за два-три года. К примеру, почти полвека понадобилось на то, чтобы открыть бозон Хиггса с момента теоретического предположения его существования. Потому, хотя мы и не видим доказательств суперсимметрии, эта теория остается очень мощной. Тем не менее Вселенной абсолютно все равно, насколько идеальными наши теории ни казались бы, говорит Линкольн. Многие физики говорят, что мы должны были найти доказательства суперсимметричных частиц уже в первый запуск БАК, поэтому теория вполне может быть не ахти. Но только потому, что мы не видели каких-либо суперсимметричных частиц, еще не означает, что их нет. Может быть, есть что-то в том, как суперсимметрия проявляется, чего мы пока не понимаем.
[Перевод] Суперсимметрия не подтверждается экспериментами, и физики ищут новые идеи
И теория суперсимметрии является одним из лучших кандидатов на замену см. К примеру, из частиц - суперпартнеров могла бы получиться темная материя", - говорит Уильям сатклифф, доктор философии имперского колледжа в Лондоне. Сатклифф вошел в крупный международный коллектив ученых, которые наблюдали за поведением кварков, субатомных частиц, составляющих протоны и нейтроны. Есть шесть разных типов кварков: верхний, нижний, очарованный, странный, прелестный и истинный. Ученые особенно наблюдали за прелестным кварком, который тяжелее и способен менять форму. Прелестный кварк обычно переходит в очарованный кварк, но в редких случаях может превращаться и в верхний кварк.
В ее рамках теоретики могут исключить влияние колебаний в своих уравнениях, но только если будут иметь точно установленную массу бозона Хиггса. Чуть больше или меньше — и теория рушится.
Многих физиков не устраивает Стандартная модель, требующая такой тонкой настройки. Теория суперсимметрии предлагает альтернативное решение проблемы. Теория постулирует, что у фундаментальных частиц есть более тяжелые суперсимметричные партнеры, многие из которых неустойчивы и редко взаимодействуют с обычной материей. Квантовые флуктуации суперсимметричных частиц отлично уравновешивают таковые у обычных частиц, что возвращает диапазон масс бозона Хиггса к приемлемым значениям. Теоретики также обнаружили, что теория суперсимметрии может решить другие проблемы. Некоторые из самых легких суперсимметричных частиц могут оказаться темной материей, за которой астрофизики охотятся с 1930-х годов.
Новый эксперимент представляет собой воссоздание эксперимента Брукхейвена, созданный для того, чтобы оспорить или подтвердить несоответствие с более высокой точностью. Недавно ученые выяснили, что в поведении мюонов есть почти неоспоримые следы «новой физики» — то есть явлений, которые не описывает основная теория физики элементарных частиц — так называемая Стандартная модель. Об этом рассказал официальный представитель проекта Крис Полли, выступая на онлайн-брифинге для журналистов. Он критически важен для понимания того, что именно было причиной расхождения в измерениях 20-летней давности и предсказаниях Стандартной модели. Мы удвоили точность измерений и не нашли ничего, что противоречило бы прошлым результатам. Но это не все. Два разных эксперимента с мюонами в США и Европе в итоге показали неожиданные результаты. Мюоны вели себя не так, как от них ожидали, за пределами Стандартной модели. Это может поменять представление ученых о том, как вообще все работает во Вселенной. Что такое «новая физика»? Стандартная модель — общепринятая на данный момент теоретическая конструкция, описывающая взаимодействие всех элементарных частиц во Вселенной. Свод правил, называемый Стандартной моделью, был разработан около 50 лет назад. Эксперименты, проводившиеся на протяжении десятилетий, снова и снова подтверждали, что его описания частиц и сил, которые составляют и управляют Вселенной, в значительной степени верны. До настоящего времени. В свою очередь, новая физика — физика за пределами Стандартной модели — относится к теоретическим разработкам, которые необходимы, чтобы объяснить недостатки СТ. Например, происхождение массы, сильная CP-проблема, нейтринные осцилляции, асимметрия материи и антиматерии, происхождение темной материи и темной энергии. Другая проблема заключается в математических основах самой Стандартной модели — она не согласуется с общей теорией относительности ОТО. Одна или обе теории распадаются в своих описаниях на более мелкие при определенных условиях например, в рамках известных сингулярностей пространства-времени, таких как Большой взрыв и горизонты событий черных дыр. Поскольку эти теории, как правило, полностью согласуются с текущими наблюдаемыми явлениями или не доведены до состояния конкретных предсказаний, вопрос о том, какая теория является правильной или по крайней мере «лучшим шагом» к Теории всего , может быть решен только с помощью экспериментов. В настоящее время это одна из наиболее активных областей исследований как в теоретической, так и в экспериментальной физике.
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. Они могут оказаться разными проявлениями общего взаимодействия, а могут и не оказаться. Тем не менее, анализ экспериментальных результатов дает некоторые подсказки к вопросу о существовании великого объединения. У каждого из фундаментальных взаимодействий есть величина, которая характеризует его интенсивность. Эта величина называется константой взаимодействия. Константа электромагнитных взаимдействий просто равна заряду электрона. В случае сильных и слабых взаимодействий ситуация несколько сложнее. Одно из интересных свойств квантовой теории поля состоит в том, что константа взаимодействия на самом деле не константа — она меняется при изменении характерных энергий процессов с участием элементарных частиц, причем теория может предсказать характер этой зависимости. В частности, это означает, что при приближении к электрону на расстояния, гораздо меньшие размеров атома, начинает меняться его заряд! Причем такое изменение, обусловленное квантовыми эффектами, подтверждено экспериментальными данными, например, небольшим изменением уровней энергии электронов в атоме водорода лэмбовский сдвиг. Константы электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий измерены с достаточной точностью для того, чтобы можно было вычислить их изменение с ростом энергии. Результаты изображены на рисунке. В Стандартной модели графики слева нет таких энергий, где произошло бы объединение констант взаимодействий. А в минимальном суперсимметричном расширении Стандартной модели графики справа такая точка имеется. Это значит, что суперсимметрия в физике элементарных частиц обладает приятным свойством — в ее рамках возможно великое объединение! Объединение с гравитацией Стандартная модель не включает гравитационное взаимодействие. Оно совершенно незаметно в ускорительных экспериментах из-за малых масс элементарных частиц. Однако при больших энергиях гравитация может стать существенной. Современная теория гравитационных взаимодействий — общая теория относительности — является классической теорией. Квантовое обобщение этой теории, без сомнения, стало бы самой общей физической теорией, если бы было построено. Помимо отсутствия каких бы то ни было экспериментальных данных, имеются серьезные теоретические препятствия в построении теории квантовой гравитации. В объединении гравитации с остальными взаимодействиями также есть трудности. Переносчик гравитационного взаимодействия, гравитон, должен иметь спин 2, в то время как спин переносчиков остальных взаимодействий фотон, W- и Z-бозоны, глюоны равен 1. Чтобы «перемешать» эти поля, нужно преобразование, меняющее спин. А преобразование суперсимметрии как раз и есть такое преобразование. Таким образом, объединение с гравитацией в рамках суперсимметрии вполне естественно. Природа темной материи Вселенной Суперсимметрия может объяснить некоторые результаты исследований в космологии. Один из таких результатов заключается в том, что видимая светящаяся материя составляет не всю материю во Вселенной. Значительное количество энергии приходится на так называемую темную материю и темную энергию. Прямым указанием на существование темной материи являются зависимости скоростей звезд в спиральных галактиках от их расстояния до центра. Эту зависимость легко вычислить. Оказывается, экспериментальные данные существенно расходятся с предсказаниями теории. Расхождение объясняют тем, что галактики находятся в «облаках» темной материи. Частицы темной материи взаимодействуют только гравитационно. Поэтому они группируются вокруг галактик правильнее было бы сказать, что обычная материя группируется вокруг сгустков темной материи и искажают распределение масс в галактике. В 1964 году физики Арно Пензиас и Роберт Вилсон, сотрудники Веll Laboratories, занимавшиеся обслуживанием радиоантенны слежения за американским космическим спутником «Эхо» в Холмделе Нью-Джерси , решили проверить некоторые свои научные гипотезы о радиоизлучении тех или иных объектов Вселенной. Антенна была самым чувствительным на тот момент детектором СВЧ-волн, а потому сначала ее надо было правильно настроить, чтобы исключить возможные помехи. Реликтовое излучение — равновесное тепловое излучение, заполняющее Вселенную. Это излучение отделилось от вещества на ранних этапах расширения Вселенной, когда электроны объединились с протонами и образовали атомы водорода рекомбинация. Тогда Вселенная была в 1000 раз моложе, чем сейчас. Нынешняя температура реликтового излучения составляет примерно 3 K. В Стандартной модели нет подходящих частиц для объяснения темной материи. В то же время в некоторых суперсимметричных моделях есть прекрасный кандидат на роль холодной темной материи, а именно нейтралино — легчайшая суперсимметричная частица. Она стабильна, так что реликтовые нейтралино могли бы сохраниться во Вселенной со времен Большого взрыва. Что касается темной энергии, ее природа в рамках современных физических теорий совершенно непонятна. Это настоящий вызов физикам двадцать первого века. Темную энергию можно интерпретировать как собственную энергию вакуума, однако при этом возникают огромные несоответствия между теоретическими оценками и наблюдаемым значением плотности темной энергии. Существование темной энергии приводит к наблюдаемым следствиям — ускоренному расширению Вселенной в настоящее время. МССМ Для построения суперсимметричных моделей был развит математический аппарат, останавливаться на котором здесь нет никакой возможности. Однако, несмотря на всю сложность математического аппарата, суперсимметричные теории обладают рядом простых особенностей. К одной из таких особенностей относится удвоение числа частиц. В Стандартной модели нет частиц, которые могли бы быть суперпартнерами друг друга. Следовательно, в суперсимметричных расширениях Стандартной модели каждая частица приобретает своего суперпартнера — новую частицу. Минимальная суперсимметричная Стандартная модель МССМ требует для построения меньше всего новых частиц. Другой важной особенностью суперсимметричных моделей является нарушение суперсимметрии.
Большой адронный коллайдер нанес еще один удар теории суперсимметрии.
Во-вторых, сигнал от их слияния может быть обнаружен исключительно при помощи гравитационного взаимодействия. Суперсимметрия предполагает удвоение как минимум числа известных элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров. Например, для фотона — фотино, кварка — скварк, хиггса — хиггсино и так далее. Суперпартнеры должны иметь значение спина, на полуцелое число отличающееся от значения спина у исходной частицы.
Чтобы параметризовать соответствующие особенности нарушения суперсимметрии, в теорию добавляются произвольные члены с мягким нарушением суперсимметрии, которые временно нарушают SUSY явно, но никогда не могут возникнуть из полной теории нарушения суперсимметрии. Поиски и ограничения суперсимметрии SUSY-расширения стандартной модели ограничены множеством экспериментов, включая измерения низкоэнергетических наблюдаемых - например, аномального магнитного момента мюона в Фермилабе ; WMAP измерение плотности темной материи и эксперименты прямого обнаружения - например, ксенон -100 и LUX ; и экспериментами на коллайдере частиц, включая B-физику , феноменологию Хиггса и прямой поиск суперпартнеров частиц , на Большом электрон-позитронном коллайдере , Тэватроне и LHC. Фактически, ЦЕРН публично заявляет, что если суперсимметричная модель Стандартной модели «верна, суперсимметричные частицы должны появляться в столкновениях на LHC».
Исторически сложилось так, что самые жесткие ограничения были связаны с прямым производством на коллайдерах. Позже LEP установил очень строгие ограничения, которые в 2006 году были расширены экспериментом D0 на Тэватроне. От 2003-2015, WMAP - х и Планка «ы темной материи измерение плотности сильно ограничены суперсимметричные расширения Стандартной модели, которые, если они объясняют темную материю, должно быть настроена для вызова конкретного механизма достаточно уменьшить Нейтралино плотность. Ожидалось, что нейтралино и слептоны будут довольно легкими, причем самый легкий нейтралино и самый легкий стау, скорее всего, будут обнаружены между 100 и 150 ГэВ. Первые запуски LHC превзошли существующие экспериментальные пределы для Большого электронно-позитронного коллайдера и Теватрона и частично исключили вышеупомянутые ожидаемые диапазоны. В 2011—2012 годах LHC обнаружил бозон Хиггса с массой около 125 ГэВ и связями с фермионами и бозонами, которые согласуются со Стандартной моделью.
MSSM предсказывает, что масса легчайшего бозона Хиггса не должна быть намного больше массы Z-бозона и, в отсутствие точной настройки с масштабом нарушения суперсимметрии порядка 1 ТэВ , не должна превышать 135 ГэВ. БАК не обнаружил никаких ранее неизвестных частиц, кроме бозона Хиггса, который, как уже предполагалось, существует как часть Стандартной модели , и, следовательно, не обнаружил никаких доказательств суперсимметричного расширения Стандартной модели. Косвенные методы включают поиск постоянного электрического дипольного момента EDM в известных частицах Стандартной модели, который может возникнуть, когда частица Стандартной модели взаимодействует с суперсимметричными частицами. Постоянный EDM в любой фундаментальной частице указывает на нарушение физики обращения времени и, следовательно, на нарушение CP-симметрии через теорему CPT. Такие эксперименты EDM также намного более масштабируемы, чем обычные ускорители частиц, и предлагают практическую альтернативу обнаружению физики, выходящей за рамки стандартной модели, поскольку эксперименты на ускорителях становятся все более дорогостоящими и сложными в обслуживании. Текущий лучший предел для EDM электрона уже достиг чувствительности, чтобы исключить так называемые «наивные» версии суперсимметричных расширений Стандартной модели.
Текущий статус Отрицательные результаты экспериментов разочаровали многих физиков, которые считали суперсимметричные расширения Стандартной модели и других основанных на ней теорий наиболее многообещающими теориями для «новой» физики, выходящей за рамки Стандартной модели, и надеялись на признаки неожиданные результаты экспериментов. В частности, результат LHC кажется проблематичным для минимальной суперсимметричной стандартной модели, поскольку значение 125 ГэВ относительно велико для модели и может быть достигнуто только с помощью больших радиационных петлевых поправок от верхних скварков , которые многие теоретики считают «неестественными».
Текущий лучший предел для EDM электрона уже достиг чувствительности, чтобы исключить так называемые «наивные» версии суперсимметричных расширений Стандартной модели. Текущий статус Отрицательные результаты экспериментов разочаровали многих физиков, которые считали суперсимметричные расширения Стандартной модели и других основанных на ней теорий наиболее многообещающими теориями для «новой» физики, выходящей за рамки Стандартной модели, и надеялись на признаки неожиданные результаты экспериментов. В частности, результат LHC кажется проблематичным для минимальной суперсимметричной стандартной модели, поскольку значение 125 ГэВ относительно велико для модели и может быть достигнуто только с помощью больших радиационных петлевых поправок от верхних скварков , которые многие теоретики считают «неестественными».
В ответ на так называемый «кризис естественности» в минимальной суперсимметричной стандартной модели некоторые исследователи отказались от естественности и изначальной мотивации решать проблему иерархии естественным образом с помощью суперсимметрии, в то время как другие исследователи перешли к другим суперсимметричным моделям, таким как суперсимметрия расщепления. Третьи перешли к теории струн в результате кризиса естественности. Бывший активный сторонник Михаил Шифман дошел до того, что призвал теоретическое сообщество искать новые идеи и признать, что суперсимметрия - неудавшаяся теория в физике элементарных частиц. Однако некоторые исследователи предположили, что этот кризис «естественности» был преждевременным, потому что различные расчеты были слишком оптимистичными относительно пределов масс, которые позволили бы суперсимметричное расширение Стандартной модели в качестве решения. Общая суперсимметрия Суперсимметрия появляется во многих связанных контекстах теоретической физики.
Возможно иметь несколько суперсимметрий, а также суперсимметричные дополнительные измерения. Расширенная суперсимметрия Может существовать более одного вида преобразования суперсимметрии. Теории с более чем одним преобразованием суперсимметрии известны как расширенные суперсимметричные теории. Чем больше суперсимметрии в теории, тем более ограничены содержание поля и взаимодействия. Обычно количество копий суперсимметрии является степенью 2 1, 2, 4, 8...
В четырех измерениях спинор имеет четыре степени свободы, и поэтому минимальное количество генераторов суперсимметрии составляет четыре в четырех измерениях, а наличие восьми копий суперсимметрии означает, что существует 32 генератора суперсимметрии. Максимальное возможное количество генераторов суперсимметрии - 32. Теории с более чем 32 генераторами суперсимметрии автоматически имеют безмассовые поля со спином больше 2. Неизвестно, как заставить взаимодействовать безмассовые поля со спином больше двух, поэтому максимальное количество генераторов суперсимметрии считается 32.
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. Они могут оказаться разными проявлениями общего взаимодействия, а могут и не оказаться. Тем не менее, анализ экспериментальных результатов дает некоторые подсказки к вопросу о существовании великого объединения. У каждого из фундаментальных взаимодействий есть величина, которая характеризует его интенсивность. Эта величина называется константой взаимодействия.
Константа электромагнитных взаимдействий просто равна заряду электрона. В случае сильных и слабых взаимодействий ситуация несколько сложнее. Одно из интересных свойств квантовой теории поля состоит в том, что константа взаимодействия на самом деле не константа — она меняется при изменении характерных энергий процессов с участием элементарных частиц, причем теория может предсказать характер этой зависимости. В частности, это означает, что при приближении к электрону на расстояния, гораздо меньшие размеров атома, начинает меняться его заряд! Причем такое изменение, обусловленное квантовыми эффектами, подтверждено экспериментальными данными, например, небольшим изменением уровней энергии электронов в атоме водорода лэмбовский сдвиг. Константы электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий измерены с достаточной точностью для того, чтобы можно было вычислить их изменение с ростом энергии. Результаты изображены на рисунке. В Стандартной модели графики слева нет таких энергий, где произошло бы объединение констант взаимодействий. А в минимальном суперсимметричном расширении Стандартной модели графики справа такая точка имеется.
Это значит, что суперсимметрия в физике элементарных частиц обладает приятным свойством — в ее рамках возможно великое объединение! Объединение с гравитацией Стандартная модель не включает гравитационное взаимодействие. Оно совершенно незаметно в ускорительных экспериментах из-за малых масс элементарных частиц. Однако при больших энергиях гравитация может стать существенной.
Экзамены суперсимметричной модели вселенной 1978
| Вы точно человек? | Иконка канала Математические теоремы: между теорией и практикой. |
| С теорией суперсимметрии придётся расстаться | Андрей Орлов | Дзен | Суперсимметрия доминировала над физикой частиц десятилетиями, и исключила почти все альтернативные физические теории, выходившие за рамки СМ. |
| Суперсимметрия и суперкоординаты | Так что суперсимметрия должна нарушаться в том смысле, что отношения, предсказанные теорией суперсимметрии, не могут быть строгими. |
Большой адронный коллайдер нанес еще один удар теории суперсимметрии.
Существование этих двух частиц позволяет объяснить озадачивающие ученых свойства симметрии сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки в протоны и нейтроны, а протоны и нейтроны — в ядра атомов. Современная теория сильных взаимодействий, известная как квантовая хромодинамика, допускает наличие некоторых разногласий в симметрии фундаментальных сильных взаимодействий, так называемой CP-симметрии, хотя эти разногласия пока еще не наблюдались экспериментальным путем. Существование одной из частиц новой теории позволяет решить проблему CP-симметрии, убирая разногласия и делая сильные взаимодействия полностью симметричными. Более того, эта же дополнительная частица может являться частицей темной материи, загадочной субстанции, на долю которой приходится подавляющая часть материи нашей Вселенной. Естественно, сейчас еще нет и не может существовать единого мнения насчет того, какая именно из теорий, объясняющих малую массу бозона Хиггса или проблему CP-симметрии сильных взаимодействий, является истинной, а какие теории не имеют шанса на существование. Боле того, наша новая теория предсказывает некоторые особенности, которые могут облегчить жизнь ученым, производящим поиски частиц темной материи».
К примеру, из частиц-суперпартнеров могла бы получиться темная материя», — говорит Уильям Сатклифф, доктор философии Имперского колледжа в Лондоне. Сатклифф вошел в крупный международный коллектив ученых, которые наблюдали за поведением кварков, субатомных частиц, составляющих протоны и нейтроны.
Есть шесть разных типов кварков: верхний, нижний, очарованный, странный, прелестный и истинный. Ученые особенно наблюдали за прелестным кварком, который тяжелее и способен менять форму. Прелестный кварк обычно переходит в очарованный кварк, но в редких случаях может превращаться и в верхний кварк. Это могло стать расширением для Стандартной модели, — объясняет Сатклифф.
Первые ставки были сделаны еще в 2000 году, когда началось строительство Большого адронного коллайдера БАК. Ученые с мировым именем поспорили, будут ли с его помощью открыты новые частицы, подтверждающие теорию суперсимметрии, согласно которой каждая частица должна иметь своего суперпартнера.
В понедельник участники пари встретились в Международной академии имени Нильса Бора.
После включения минимальной SUSY в электрослабой шкале работа калибровочных связей изменяется, и совместная сходимость калибровочных констант связи прогнозируется примерно при 10 16 ГэВ. Модифицированный ход также обеспечивает естественный механизм радиационного нарушения электрослабой симметрии.
Во многих суперсимметричных расширениях Стандартной модели, таких как минимальная суперсимметричная стандартная модель , есть тяжелая стабильная частица такая как нейтралино , которая может служить кандидатом в слабовзаимодействующую массивную частицу WIMP темной материи. Существование суперсимметричного кандидата в темную материю тесно связано с R-четностью. Суперсимметрия в электрослабом масштабе дополненная дискретной симметрией обычно обеспечивает кандидатную частицу темной материи в массовом масштабе, согласующемся с расчетами теплового реликтового содержания.
Стандартная парадигма для включения суперсимметрии в реалистичную теорию состоит в том, чтобы базовая динамика теории была суперсимметричной, но основное состояние теории не соблюдает симметрию, и суперсимметрия нарушается спонтанно. Нарушение суперсимметрии не может происходить постоянно частицами MSSM в том виде, в котором они появляются в настоящее время. Это означает, что есть новый сектор теории, ответственный за взлом.
Единственное ограничение на этот новый сектор состоит в том, что он должен постоянно нарушать суперсимметрию и давать суперчастицам массу масштаба ТэВ. Есть много моделей, которые могут это сделать, и большинство их деталей не имеют значения. Чтобы параметризовать соответствующие особенности нарушения суперсимметрии, в теорию добавляются произвольные члены с мягким нарушением суперсимметрии, которые временно нарушают SUSY явно, но никогда не могут возникнуть из полной теории нарушения суперсимметрии.
Поиски и ограничения суперсимметрии SUSY-расширения стандартной модели ограничены множеством экспериментов, включая измерения низкоэнергетических наблюдаемых - например, аномального магнитного момента мюона в Фермилабе ; WMAP измерение плотности темной материи и эксперименты прямого обнаружения - например, ксенон -100 и LUX ; и экспериментами на коллайдере частиц, включая B-физику , феноменологию Хиггса и прямой поиск суперпартнеров частиц , на Большом электрон-позитронном коллайдере , Тэватроне и LHC. Фактически, ЦЕРН публично заявляет, что если суперсимметричная модель Стандартной модели «верна, суперсимметричные частицы должны появляться в столкновениях на LHC». Исторически сложилось так, что самые жесткие ограничения были связаны с прямым производством на коллайдерах.
Позже LEP установил очень строгие ограничения, которые в 2006 году были расширены экспериментом D0 на Тэватроне. От 2003-2015, WMAP - х и Планка «ы темной материи измерение плотности сильно ограничены суперсимметричные расширения Стандартной модели, которые, если они объясняют темную материю, должно быть настроена для вызова конкретного механизма достаточно уменьшить Нейтралино плотность. Ожидалось, что нейтралино и слептоны будут довольно легкими, причем самый легкий нейтралино и самый легкий стау, скорее всего, будут обнаружены между 100 и 150 ГэВ.