активно развивающейся области теоретической физики, которая вполне может оказаться в центре будущего развития физики. Спонтанное нарушение суперсимметрии (общая теория). Механизм Файе — Илиопулоса спонтанного нарушения суперсимметрии. Теория предсказывает наличие закона периодического изменения вероятности обнаружения частицы определённого сорта в зависимости от прошедшего с момента создания частицы.
Суперсимметрия в свете данных LHC: что делать дальше?
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. Скажем, теория электрослабого взаимодействия — это объединение неудовлетворительное, потому что в ней все еще есть две разные группы симметрии, U 1 и SU 2 , и две соответствующие константы взаимодействий.
Две эти константы связаны параметром, который носит название «слабый угол смешивания», и в Стандартной модели его значение должно определяться экспериментально. При экстраполяции в область низких энергий это согласуется с экспериментальными данными. Многие физики думают, что эти числа не могут быть случайностью. Мне так часто говорили, что они просто обязаны что-то означать, что я и сама иногда верю, будто это так.
Есть, правда, несколько «но», о которых вам следует знать. Что самое важное: насколько точно константы взаимодействий сходятся к одному значению, зависит от энергии, при которой нарушается суперсимметрия. Если эта энергия выше примерно 2 ТэВ, схождение в одну точку начинает ухудшаться. Большой адронный коллайдер уже почти исключил возможность того, что область нарушения суперсимметрии лежит ниже этой энергии, — а тогда рассыпется одно из главных привлекательных свойств суперсимметрии.
Более того, если мы так жаждем Великого объединения, нет никаких особых причин, заставляющих константы взаимодействий всем скопом совпадать при одной и той же энергии — сначала вполне могли бы совпасть две из них, а потом уже к ним присоединилась бы третья. Просто это не было бы так красиво, поскольку задействовало бы дополнительную область энергий. Позвольте также упомянуть, что схождение в одну точку констант взаимодействий не связано исключительно с суперсимметрией. Это следствие добавления тяжелых частиц, которое начинает проявляться при высоких энергиях.
Можно измыслить много других комбинаций дополнительных частиц, которые вынудят те кривые пересечься. В случае суперсимметрии мы не вольны выбирать дополнительные частицы, и физики считают, что эта жесткость свидетельствует в пользу теории. Более того, пересечение кривых в случае суперсимметрии стало неожиданностью, когда впервые было замечено. А как мы видели ранее, физики уделяют больше внимания неожиданным открытиям.
Вот какие есть «но». Впрочем, в пользу суперсимметрии говорит еще кое-что: некоторые из новых суперсимметричных частиц имели бы нужные свойства, чтобы составлять темную материю. Они должны были бы возникать в изобилии в ранней Вселенной, никуда не деваться, будучи стабильными, и взаимодействовать очень слабо. Таким образом, теория суперсимметрии сочетает в себе все, что физики-теоретики выучились лелеять: симметрию, естественность, объединение и нежданные открытия.
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. К примеру, теперь мы понимаем, что гравитация, которая привела к падению яблока на голову Ньютона, — это та же гравитация, которая управляет планетами и звездами. И теперь мы знаем, что законы электричества и законы магнетизма — просто два закона, которые определяют единую фундаментальную силу электромагнетизма. Если суперсимметричные частицы включены в Стандартную модель, они бы тесно связали три из четырех фундаментальных сил, которые описываются Стандартной моделью: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие. Суперсимметрия будет означать, что все эти три силы будут обладать одной и той же силой на очень высоких энергетических уровнях. 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. 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.
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. В выводах, опубликованных в журнале Nature Physics, измерения не показали никакого правостороннего вращения. В конечном счете ученые получили результат, который был в соответствии со Стандартной моделью: прелестный кварк распадается только на верхний кварк, если имеет левосторонний спин. Это удар по суперсимметрии, который, однако, не сбрасывает теорию со счетов. И тот факт, что ученые смогли проделать такие измерения а ранее они казались слишком сложными , впечатляет.
Первый успешный пример квантовой теории поля — квантовая электродинамика — был построен в работах Фейнмана, Швингера и Томонаги в середине двадцатого века, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1965 году. Квантовая электродинамика рассматривает взаимодействие между заряженными частицами например, электронами и позитронами , возникающее вследствие обмена фотонами — квантами электромагнитного поля. Вплоть до настоящего времени квантовая электродинамика остается самой точной физической теорией. Симметрия в физике элементарных частиц Под симметрией физики понимают неизменность чего-либо при выполнении определенных преобразований. При этом большую роль играет симметрия законов, или уравнений. В физике симметрии играют двоякую роль. Во-первых, каждому типу симметрии физической системы соответствует сохраняющаяся величина. Во-вторых, от новых физических теорий можно требовать выполнения различных симметрий. Чем больше таких требований — тем меньше произвол в построении теории. Примером физической теории, обладающей симметрией, является обычная квантовая механика, оперирующая волновыми функциями. Волновая функция частицы — это комплексная функция, например, пространственных координат грубо говоря, комплексное число в каждой точке. Ее можно рассчитать из уравнения Шрёдингера. Физический смысл имеет не сама волновая функция, а квадрат ее модуля, который показывает вероятность нахождения частицы в каком-либо месте. Если все волновые функции умножить на одно и то же комплексное число с модулем 1, никакие предсказания теории не изменятся. Действительно, модуль произведения комплексных чисел равен произведению модулей, и от такого домножения никакие вероятности не изменяются. Это пример так называемой глобальной симметрии глобальной — потому, что волновая функция умножалась в разных точках на одно и то же число. Суть этой симметрии заключается в том, что теория не изменяется относительно некоторого класса преобразований в нашем случае эти преобразования — умножение на произвольное комплексное число с модулем, равным 1. Квантовая электродинамика обладает симметрией относительно преобразований, называемых калибровочными. Эти преобразования заключаются в домножении поля электронов на комплексное число с модулем 1 правда, чтобы теория не изменялась, одновременно с преобразованием поля электронов нужно выполнить и некоторые другие преобразования электромагнитного поля. В отличие от рассмотренного выше случая квантовой механики, это число уже может быть в каждой точке различным локальная симметрия. Интересно отметить следующий момент. Как было сказано выше, с каждой симметрией связана сохраняющаяся величина. В случае калибровочных преобразований квантовой электродинамики такой сохраняющейся величиной является обычный электрический заряд. В пятидесятых годах Янг и Миллс построили модель, уравнения которой не менялись под действием более сложных локальных калибровочных преобразований. Сначала интерес был исключительно математическим. Однако потом на основе теории Янга — Миллса были созданы основные теории взаимодействия элементарных частиц — теория электрослабых взаимодействий и квантовая хромодинамика. Эти теории, обладающие калибровочной симметрией, получили экспериментальное подтверждение. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий В шестидесятых годах удалось объединить электромагнетизм и слабые взаимодействия. Салам, Глэшоу и Вайнберг построили теорию электрослабых взаимодействий. В 1979 году им была присуждена Нобелевская премия. Новая теория предсказала существование новых частиц, так называемых W- и Z-бозонов. Они отвечают за «перенос» слабого взаимодействия. Эти бозоны были открыты на протонном суперсинхротроне в 1983 году. Казалось бы, каким образом можно объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, если у первых радиус взаимодействия бесконечен действительно, мы видим свет — электромагнитное излучение — от удаленных галактик и других астрономических объектов , а у вторых он не превышает размеры атомного ядра? Оказывается, такая «несимметричность» связана с тем, что масса фотонов равна нулю, а масса W- и Z-бозонов очень большая, они примерно в 100 раз тяжелее протона. Нарушение так называемой электрослабой симметрии является важным свойством теории электрослабых взаимодействий этой симметрией обладают уравнения теории. В результате нарушения W- и Z-бозоны и некоторые другие частицы например, электроны приобретают массы. В рамках модели Янга — Миллса калибровочные бозоны нельзя сделать массивными, не разрушив калибровочную симметрию. Для нарушения электрослабой симметрии был придуман механизм Хиггса. Основная идея заключается в том, что все пространство пронизывает специальное хиггсовское поле, которое взаимодействует с остальными полями и нарушает симметрию, хотя уравнения теории остаются симметричными. Возмущения хиггсовского поля должны проявляться на эксперименте как новые частицы — хиггсовские бозоны. Бозон Хиггса — очень тяжелая частица, тяжелее W- и Z-бозонов. Поэтому она пока не открыта экспериментально. Теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, тоже основана на уравнениях Янга — Миллса. Квантовая хромодинамика говорит, что многие элементарные частицы — мезоны и барионы например, протон — состоят из кварков. Однако изолированные кварки никогда не наблюдались это явление называется конфайнментом. Из-за сложности уравнений квантовой хромодинамики конфайнмент до сих пор не выведен из них напрямую. Кстати, решение уравнений Янга — Миллса и объяснение конфайнмента является одной из семи проблем тысячелетия, за которые институт Клэя назначил приз в миллион долларов. Квантовая хромодинамика также находит подтверждение в ускорительных экспериментах. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий включает в себя модель электрослабых взаимодействий и квантовую хромодинамику. Стандартная модель оказалась в состоянии объяснить практически все экспериментальные данные, полученные к настоящему времени в физике элементарных частиц. Суперсимметрия Идея суперсимметрии Перед тем, как перейти к обсуждению суперсимметрии, рассмотрим понятие спина. Спин — это собственный момент импульса, присущий каждой частице. Он измеряется в единицах постоянной Планка и бывает целым или полуцелым. Спин является исключительно квантовомеханическим свойством, его нельзя представить с классической точки зрения. 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.
Данные, полученные на БАК, поставили под сомнение теорию суперсимметрии
| СУПЕРСИММЕТРИЯ • Большая российская энциклопедия - электронная версия | Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные. |
| Гляжусь, как в зеркало: есть ли шансы у суперсимметрии? | Иконка канала Математические теоремы: между теорией и практикой. |
| Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание | Важные результаты в изучении низкоэнергетических следствий теории суперструн методами суперсимметричной теории поля получила в ходе цикла работ группа теоретиков из ОИЯИ. |
| ЦЕРН: теория суперсимметрии под вопросом .:. Наука .:. | Когда суперсимметрия задана как местный симметрия, теория Эйнштейна общая теория относительности включается автоматически, и результат называется теорией супергравитация. |
Поиски суперсимметрии на коллайдере принесли новую интригу
Согласно теории, у фермионов, из которых состоит материя, есть суперпартнёры-бозоны, переносящие взаимодействия, а у существующих бозонов есть суперпартнёры-фермионы. Поскольку типы частиц и их суперпартнёров противоположны, вклады их энергии в хиггсовское поле обладают противоположными знаками — один его увеличивает, второй уменьшает. Вклады пар взаимоуничтожаются, и никаких катастроф не происходит. А в качестве бонуса один из неоткрытых суперпартнёров может быть составной частью тёмной материи.
Со временем, поскольку суперпартнёры не появились, суперсимметрия стала менее красивой. По популярным моделям, чтобы избежать обнаружения, частицам-суперпартнёрам приходиться быть сильно тяжелее своих двойников, и вместо симметрии появляется какое-то кривое зеркало. Физики выдвинули огромное количество идей о том, как симметрия может быть сломана, и породили тысячи версий суперсимметрии.
Но нарушение суперсимметрии — это новая проблема. Большинство специалистов по физике частиц в 1980-х считали, что суперпартнёры будут лишь немного тяжелее известных частиц. Но на Теватроне, ускорителе в Fermilab, ныне отстранённом от работы, ничего подобного не нашли.
И в то время, как БАК тестирует всё более высокие энергии, не находя и следа суперсимметричных частиц, некоторые физики утверждают, что теория мертва. В настоящее время большинство рабочих версий суперсимметрии предсказывают настолько тяжёлых суперпартнёров, что они бы пересилили эффекты от своих лёгких близнецов, если бы не точно настроенные взаимоуничтожения воздействий между различными суперпартнёрами. Но тонкая подстройка, предназначенная для нейтрализации проблем теории и решения проблемы иерархии, не нравится многим.
Значения констант этих групп различны на малых энергиях, и с увеличением энергии они меняются. На энергетическом уровне порядка 100 ГэВ две константы становятся одинаковыми явление электрослабого объединения. На энергетическом уровне 1016 ГэВ все три константы сходятся примерно к одному значению, но в Стандартной модели они не могут стать равными друг другу.
То есть, строго говоря, в рамках Стандартной модели «великое объединение» электрослабого и сильного взаимодействия невозможно. Поправки за счёт новых полей МССМ меняют вид энергетической эволюции констант, так что они могут сойтись в одну точку. Тёмная материя.
За последние годы в астрофизике наблюдаются явления , указывающие на существование тёмной материи. В MSSM естественно возникает кандидат на объяснение этого феномена — нейтралино , нейтральная стабильная частица. Проблемы идеи суперсимметрии.
Эксперимент на Большом адронном коллайдере опроверг современную теорию мироздания Выступая на международной физической конференции, которая проходит в индийском городе Мумбаи, ученый подчеркнула: "Мы провели на БАК серию экспериментов с элементарными частицами, в ходе которых проверили опытным путем фундаментальные выводы теории Суперсимметрии и верность описания ею физического мира. Однако необходимых подтверждений мы не получили". Сформулированная в 1973 году, теория Суперсимметрии предполагает наличие у каждой известной науке элементарной частицы двойника, отличающегося своими характеристиками.
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. Победителями были признаны скептики — ученые, не поверившие в обнаружение новых частиц.
Крах теории суперсимметрии: большой адронный коллайдер ничего не нашел
Она была построена в 60-70-е годы, привела к множеству предсказаний, которые великолепно подтвердились в последующие десятилетия. Последним в этой серии достижений стало открытие бозона Хиггса в 2012 году и последовавшее за ним присуждение Нобелевской премии по физике авторам хиггсовского механизма. Все эти годы Стандартная модель выдерживала тысячи экспериментальных проверок. Всевозможные тонкие и замысловатые эффекты, которые она предсказывала и которые удавалось сосчитать теоретически, неизменно подтверждались. С другой же стороны, физикам давно достоверно известно, что Стандартная модель не может быть окончательной теорией устройства микромира. Стандартная модель не способна объяснить наличие темной материи и доминирование вещества над антивеществом в нашей Вселенной. Она никак не объясняет разнообразные закономерности, которые обнаружены в свойствах кварков и особенно нейтрино.
Наконец, многие численные величины в ней выглядят противоестественными, и сама Стандартная модель никакого объяснения им не дает. Физики уверены, что Стандартная модель — это лишь осколок какой-то другой, всеобъемлющей и более фундаментальной, теории устройства нашего мира, которую ученые условно называют физика за пределами Стандартной модели или «Новая физика». Что это за теория — пока неизвестно, но именно с ней связываются большие надежды на поиск ответов на неудобные для Стандартной модели вопросы. Чтобы не создавалось неправильного впечатления, надо обязательно оговориться, что проблема — не в том, чтобы придумать хоть какую-то теорию. Таких теорий придуманы, наверное, сотни. Проблема в том, чтобы теория давала новые, нестандартные предсказания и чтобы эти предсказания подтверждались на опыте.
А вот с этим пока сложности: ни один прямой эксперимент с элементарными частицами не обнаружил никакого достоверного отклонения от Стандартной модели. Так что Большой адронный коллайдер он же LHC — это не просто установка, которая сталкивает частицы и что-то там измеряет. Это тот инструмент, который должен помочь нам дотянуться до Новой физики, до нового пласта реальности, лежащего под Стандартной моделью. 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.
Что касается аксионов, метод их регистрации основан на том, что в условиях магнитного поля аксионы могут превращаться в фотоны, которые уже можно зарегистрировать. Проводились разные эксперименты, но, к сожалению, зарегистрировать аксионы пока не удалось. Можно сказать, что если бы не было тёмной материи, то наш мир был бы совершенно иным. Например, если тёмную материю «отключить», то гравитационная масса всех объектов во Вселенной окажется намного меньше, поэтому звёзды и планеты просто разлетятся в разные стороны, а галактики исчезнут. Например, плотность тёмной материи значительно выше в центрах галактик, чем в среднем по Вселенной. В то же время наблюдаются галактики, где почти отсутствует тёмная материя или, наоборот, почти полностью состоящие из неё.
При этом считается, что тёмная энергия распределена достаточно равномерно. Как они связаны и что это вообще такое? Тёмная энергия — это, по сути, величина, которая была введена Эйнштейном в своё время для объяснения стационарной модели Вселенной. Необходимость в этой переменной, казалось бы, отпала, когда Александр Фридман представил модель нестационарной Вселенной, и позже было экспериментально установлено, что Вселенная расширяется. Однако впоследствии выяснилось, что Вселенная не просто расширяется, а делает это с ускорением — это означает, что всё же существует некая дополнительная сила, о свойствах и природе которой мы пока ничего не знаем. Пока что есть только гипотезы, объясняющие, что это такое: например, что это некая энергия вакуума, отрицательное давление, которое и приводит к расширению Вселенной. Здесь можно вспомнить о существовании эффекта Казимира — экспериментально подтверждённого эффекта, где незаряженные тела притягиваются друг к другу в вакууме в результате энергетических колебаний физического вакуума. Хотя этот эффект не связан с тёмной энергией и объясняется в рамках современных научных теорий, он показывает, что вакуум не является абсолютной пустотой.
Думаю, что, когда мы лучше узнаем природу тёмной материи, мы многое узнаем и о тёмной энергии. Может ли у этого открытия быть какое-то практическое применение — например, в космонавтике? Первые наблюдения за природными явлениями делали ещё в Древней Греции. Потом был период «Тёмных веков», когда развитие науки в Европе застопорилось, но затем появились такие учёные, как Галилей, Браге, Кеплер... На основе их работ свои открытия сделали Ньютон, Эйнштейн...
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. Ученые искали такие цепочки превращений в данных, собранных детектором CMS. Второй вариант подразумевает не поиск новых частиц, а обнаружение «недостатка» энергии при определенных типах столкновений.
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. 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. 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.
Физики в Копенгагене подвели итоги 15-летнего пари о теории суперсимметрии
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. 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. 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. Если бы такого нарушения не было, суперпартнеры имели такие же массы, что и обычные частицы.
Для каждого химического элемента характерен свой тип атома. Максвелл объединил электричество и магнетизм в электромагнетизм. И всякий раз, когда прежде разрозненные эффекты получали объяснение в рамках общей теории, новые открытия и применения не заставляли себя долго ждать: приливы вызываются Луной, энергию можно использовать для охлаждения, колебательные контуры служат источниками электромагнитного излучения. В конце XIX века физики заметили, что атомы способны испускать и поглощать только свет с определенными длинами волн, но объяснения наблюдавшимся регулярностям ученые дать не могли. Чтобы с этим разобраться, они разработали квантовую механику, которая объяснила не только атомные спектры, но и большинство свойств химических элементов.
К 1930-м годам физики выяснили, что все атомы имеют ядро, состоящее из меньших частиц — нейтронов и протонов — и окруженное электронами. На стезе редукционизма это стало еще одной вехой. Следующим шагом в истории объединения Эйнштейн примирил пространство и время и получил специальную теорию относительности, после чего свел воедино гравитацию и специальную теорию относительности, создав общую теорию относительности. В итоге возникла необходимость избавиться от противоречий между квантовой механикой и специальной теорией относительности, что привело к благополучному рождению квантовой электродинамики. Полагаю, примерно на этом этапе наши теории были самыми простыми. Но уже тогда физики знали о радиоактивном распаде — явлении, которое даже квантовая электродинамика объяснить не могла. Ответственность за распады возложили на новое, слабое взаимодействие, добавив его в теорию. Затем коллайдеры достигли энергий, достаточно высоких для того, чтобы нащупать сильное ядерное взаимодействие, — и на физиков обрушился «зоопарк» элементарных частиц см.
Это временное приращение сложности быстро пресекли теория сильного ядерного взаимодействия и объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое, поскольку выяснилось, что большинство из той лавины частиц составные — собраны из всего лишь двадцати четырех частиц, которые уже нельзя разложить на части. Эти двадцать четыре частицы с бозоном Хиггса, добавившимся позже, их стало в итоге двадцать пять остаются элементарными и сегодня, и Стандартная модель плюс общая теория относительности до сих пор объясняют все наблюдения. Мы несколько оживили их темной материей и темной энергией, но, поскольку у нас нет никаких данных о микроскопической структуре этих темных лошадок, в настоящее время их трудно увязать всех вместе. Объединение, однако, шло столь успешно, что физики считали логичным следующим шагом появление теории Великого объединения. Группа содержит все преобразования, которые не изменят теорию, при условии что соблюдается симметрия. Группа симметрии круга, например, состоит из всех вращений вокруг его центра и обозначается как U 1. Пока в нашей дискуссии о симметрии мы обсудили лишь симметрии уравнений, законов природы. Однако наблюдаемое нами описывается не самими уравнениями, а их решениями.
И сам по себе факт, что уравнение обладает симметрией, совершенно не означает, что решения этого уравнения обладают той же симметрией. Представьте себе волчок, крутящийся на столе рис. Окружающая его обстановка одинакова по всем направлениям, параллельным поверхности стола, значит, уравнения движения обладают вращательной симметрией относительно любой оси, перпендикулярной столешнице. Когда волчок закручивают, его движение сопровождается уменьшением момента импульса из-за трения. Поначалу волчок действительно подчиняется вращательной симметрии, но в конце концов он заваливается на сторону и останавливается. После этого его ось указывает уже в одном каком-то направлении. Мы говорим, что симметрия «нарушилась». Подобное спонтанное нарушение симметрии — обычное дело в фундаментальных законах природы.
После ее распада должна остаться другая более легкая суперсимметричная частица. Причина в том, что суперсимметричные частицы появляются или исчезают только парами. Поэтому на месте распада одной суперсимметричной частицы должна остаться другая суперсимметричная частица. Следовательно, самая легкая из таких частиц должна быть стабильной.
Эта самая легкая частица, которой не на что распадаться, известна физикам как легчайшая суперсимметричная частица, или LSP. С экспериментальной точки зрения распад суперсимметричной частицы характерен тем, что даже после завершения всех процессов легчайшая из нейтральных суперсимметричных частиц должна остаться. Космологические ограничения говорят о том, что LSP не несет никаких зарядов и потому не будет взаимодействовать ни с одним из элементов детектора. Это означает, что в каждом случае возникновения и распада любой супер- симметричной частицы экспериментальные результаты покажут, что импульс и энергия не сохраняются, их часть куда?
Частица LSP уйдет незамеченной и унесет свои импульс и энергию туда, где их невозможно будет зарегистрировать; сигнатурой LSP будет дефицит энергии. Предположим, к примеру, что в результате столкновения возникает скварк — суперсимметричный партнер кварка. На какие частицы он распадется, зависит от его массы и от того, какие имеются более легкие частицы. Одним из возможных вариантов распада будет превращение скварка в обычный кварк и легчайшую суперсимметричную частицу рис.
Напомню, что распад может происходить практически немедленно, и детектор зарегистрирует только его продукты. Если произошел распад скварка, детекторы зарегистрируют пролет кварка в трекере и в адронном калориметре, который измеряет энергию, отдаваемую частицами, участвующими в сильном взаимодействии, но установка определит также недостачу части импульса и энергии. Тот факт, что импульса не хватает, экспериментаторы определят точно так же, как и при рождении нейтрино. Они измерят весь поперечный по отношению к пучку импульс и обнаружат, что в сумме он не равен нулю.
Одна из сложнейших задач, стоящих перед экспериментаторами, — достоверно и однозначно распознать недостачу импульса. В конце концов, все незарегистрированное будет казаться пропавшим! Если что? Скварк может распадаться на кварк и легчайшую суперсимметричную частицу Разумеется, скварк никогда не возникает сам по себе, а только вместе с другим объектом, также участвующим в сильном взаимодействии к примеру, с другим скварком или антискварком , поэтому экспериментаторы зарегистрируют и измерят по крайней мере две струи пример см.
Если при столкновении протонов возникли два скварка, при распаде они породят два кварка, которых зарегистрируют детекторы. Часть энергии и импульса уйдут из системы с двумя LSP, и само их отсутствие будет свидетельствовать о возникновении новых частиц. Как ни странно, долгие задержки с пуском БАКа сыграли и положительную роль: они дали экспериментаторам время как следует разобраться в своих детекторах. Их удалось заранее откалибровать, так что с первого дня работы коллайдера измерения будут чрезвычайно точными, а данные об упущенной энергии — надежными.
Теоретики, с другой стороны, получили время обдумать альтернативные стратегии поиска для суперсимметричной и других моделей. К примеру, мне вместе с Дейвом Таккер—Смитом, ученым из Колледжа Уильямса, удалось найти отличный от вышеописанного — но родственный — способ поиска скварка. Наш метод опирается на измерение только импульса и энергии получающихся кварков; в нем не нужно точно измерять недостающий импульс а это очень непросто и не дает надежных результатов. Метод вызвал среди ученых БАКа заметное оживление; экспериментаторы CMS сразу же приняли его и не только показали, что метод работает, но и в течение всего нескольких месяцев обобщили и улучшили его.
Теперь это часть стандартной стратегии поиска суперсимметрии; метод, предложенный нами так недавно, был использован в первом же сеансе поиска суперсимметрии на CMS. Два скварка, одновременно возникшие в БАКе, распадутся на кварк и LSP каждый и оставят после себя сигнатуру в виде дефицита энергии Если суперсимметрия будет обнаружена, экспериментаторы на этом не остановятся. Они попытаются определить весь спектр суперсимметричных частиц, а теоретики будут работать над интерпретацией полученных результатов. Под идеей суперсимметрии и частиц, способных вызывать ее спонтанное нарушение, скрывается интереснейшая теория.
Мы знаем, какие суперсимметричные частицы должны существовать, если суперсимметрия существенна для проблемы иерархии, но мы пока не знаем ни их точных масс, ни того, как эти массы возникают. То, что увидит БАК, очень сильно зависит от спектра масс суперсимметричных частиц, который, вероятно, отличается от спектра масс обычных частиц. Мы знаем, что частицы могут распадаться только на более легкие. Цепочка распадов — последовательность возможных распадов суперсимметричных частиц — определяется их массами, тем, какие из них легче, а какие тяжелее.
Скорости различных процессов также зависят от массы частиц.
Теория суперсимметрии Гипотеза суперсимметрии была впервые сформулирована в 1973 году австрийским физиком Юлиусом Вессом и итальянским физиком Бруно Зумино и постулирует существование определенного рода симметрии между двумя основными классами частиц — бозонами и фермионами. Фактически, гипотеза суперсимметрии позволяет при помощи преобразований связать воедино вещество и излучение. На сегодня эта гипотеза не была подтверждена экспериментально. Для того чтобы фактически проверить ее, существует несколько возможностей. Одна из них заключается в поиске определенных цепочек превращения элементарных частиц в коллайдере внутри БАК элементарные частицы сталкиваются друг с другом, и этот процесс приводит последовательному образованию других частиц. Ученые искали такие цепочки превращений в данных, собранных детектором CMS.
Второй вариант подразумевает не поиск новых частиц, а обнаружение «недостатка» энергии при определенных типах столкновений. Согласно положениям гипотезы суперсимметрии, за такой недостаток «ответственны» нейтралино — один из типов гипотетических суперсимметричных частиц. По итогам анализа части данных, собранных на детекторах CMS и ATLAS в течение 2010 года, ученые не обнаружили событий, которые соответствовали бы проявлениям гипотезы суперсимметрии.
Адронный коллайдер подтвердил теорию суперсимметрии
| Ответы : Что такое суперсиметрия и какая разница между супер и обычной симетрией? | Если рассмотреть квантовую электродинамику, то это теория с не очень большим, по сравнению с суперсимметрией, количеством симметрий. |
| Физики открыли пятую силу природы. Главное об эксперименте с мюоном g-2 | Немногим более сорока лет назад появилась суперсимметрия – теория, в которой каждому существующему фермиону в пару полагается бозон, и наоборот. |
| Суперсимметрия для пешеходов | Важное предсказание суперсимметрии – существование суперрасширения теории гравитации, супергравитации, и суперсимметричного партнера гравитона – гравитино, частицы со спином 3/2. |
| Гляжусь, как в зеркало: есть ли шансы у суперсимметрии? | Futurist - будущее уже здесь | Поскольку суперсимметрия является необходимым компонентом теории суперструн, любая обнаруженная суперсимметрия будет согласована с теорией суперструн. |
| Физики в Копенгагене подвели итоги 15-летнего пари о теории суперсимметрии – Новости науки | Суперсимметрия часто описывается как трамплин для теории струн — чтобы она стала возможной, необходима некоторая версия суперсимметрии. |
Нобелевская премия по физике 2008 года. Нобелевская асимметрия
Самая амбициозная теория – теория струны, претендующая на единое описание всех сил природы, требует суперсимметрии для непротиворечивости и устойчивости. Теория предсказывает наличие закона периодического изменения вероятности обнаружения частицы определённого сорта в зависимости от прошедшего с момента создания частицы. Возвращаясь к эпизоду "Теории большого взрыва", предлагаемым объяснением наблюдаемого в настоящее время несоответствия является суперсимметрия. Так что суперсимметрия должна нарушаться в том смысле, что отношения, предсказанные теорией суперсимметрии, не могут быть строгими.
Крах теории суперсимметрии: большой адронный коллайдер ничего не нашел
Теория суперсимметрии обобщает часто встречающееся в природе явление симметрии на уровень элементарных частиц и утверждает, что существует некоторое преобразование. Во всех теориях суперсимметрии предполагается, что персимметрию уже на основе первых данных с БАК. Нужно построить теорию, которая будет инвариантна относительно преобразований суперсимметрии, а также относительно. Еще не все потеряно, есть усложненные теории суперсимметрии, по которым суперсимметричных частиц так просто не обнаружишь. Нужно построить теорию, которая будет инвариантна относительно преобразований суперсимметрии, а также относительно.
Поиски суперсимметрии на коллайдере принесли новую интригу
| Гляжусь, как в зеркало: есть ли шансы у суперсимметрии? | Суперсимметрия — Это статья о физической гипотезе. Об одноимённом альбоме группы «Океан Эльзы» см. статью Суперсиметрія (альбом). За пределами Стандартной модели Стандартная модель Свидетельства Проблема иерархий • Тёмная материя Проблема. |
| Эксперимент на Большом адронном коллайдере опроверг современную теорию мироздания | К примеру, ученым очень хотелось, но не удалось найти подтверждения суперсимметрии — теории о том, что у каждой элементарной частицы есть гораздо более тяжелый «суперпартнер». |
🔸 Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной🔸
Так же существуют и более классические теории, согласно которым бозон Хиггса является сложной частицей, основанной на новом типе симметрии, суперсимметрии. Лектор рассказывает о теории суперструн, голографических чёрных дырах, столкновениях параллельных вселенных и о других интересных явлениях. Знаменитая теория Суперсимметрии, объясняющая основы мироздания, не нашла подтверждения в ходе исследований в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Когда суперсимметрия задана как местный симметрия, теория Эйнштейна общая теория относительности включается автоматически, и результат называется теорией супергравитация.