Суперсимметрия является одним из основных кандидатов на роль новой теории в физике элементарных частиц за рамками Стандартной модели. Важное предсказание суперсимметрии – существование суперрасширения теории гравитации, супергравитации, и суперсимметричного партнера гравитона – гравитино, частицы со спином 3/2. Нужно построить теорию, которая будет инвариантна относительно преобразований суперсимметрии, а также относительно. Суперсимметрия предполагает удвоение (как минимум) числа известных элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров.
Большой адронный коллайдер нанес еще один удар теории суперсимметрии.
Сходящиеся линии В последний раз теория всего была у человечества 2500 лет назад. Греческий философ Эмпедокл предположил, что мир соткан из четырех элементов: земли, воды, воздуха и огня. Аристотель позже добавил пятый, божественный элемент — эфир. Никогда больше объяснение всего не было таким простым.
В философии Аристотеля каждый элемент характеризуется двумя свойствами: огонь сухой и теплый, вода влажная и холодная, земля сухая и холодная, а воздух влажный и теплый. Изменения происходят, поскольку 1 элементы стремятся к своим «естественным местам» — воздух поднимается вверх, камни падают вниз и так далее — и 2 могут менять на противоположное по одному своему свойству за раз, если тому нет препятствий: так, например, сухой и теплый огонь может превратиться в сухую и холодную землю, а влажная и холодная вода — во влажный и теплый воздух. Утверждение, что камни падают вниз, ибо такова их естественная склонность, не очень-то много объясняет, но то была, несомненно, простая теория, которую можно было проиллюстрировать удовлетворительно симметричной диаграммой рис.
Впрочем, даже в IV веке до нашей эры стало очевидно, что теория слишком уж проста. Алхимики начали выделять все новые и новые вещества, и теория со всего лишь четырьмя элементами не могла объяснить такого разнообразия. Однако только в XVIII веке химики поняли, что все вещества — комбинации относительно небольшого числа «элементов» в то время думали, что их меньше сотни , которые дальше уже разложить нельзя.
Наступила эра редукционизма. А тем временем Ньютон понял, что падение камней и движение планет роднит общая причина: тяготение. Джоуль показал, что теплота — это вид энергии, как обнаружилось позднее — происходящий из движения крохотных частиц под названием «атомы».
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.
Если они существуют, эти дополнительные частицы отменяли бы вклад партнеров в массу Хиггса. Потому бозон Хиггса был бы легким, как мы его и наблюдали. Это естественное объяснение куда более желательно, чем внесение корректировок в существующую Стандартную модель. Когда вы вынуждены править теории, объясняющие то, что вы в действительности наблюдаете, это знак того, что «вы на самом деле не знаете, что делаете», говорит Линкольн, а эта теория, по всей видимости, неправильная или неполная. Самые легкие суперсимметричные частицы, предсказываемые в рамках теории, могут быть неуловимыми частицами темной материи, на которые охотятся физики десятилетиями.
Суперсимметрия предсказывает, что у этой частицы будет нейтральный заряд и она едва ли будет взаимодействовать с любой другой частицей. Примерно такое описание физики ждут от частиц темной материи. Темная материя невидима, поэтому частицы, из которых она состоит, должны быть нейтральными, иначе будут рассеивать свет и станут видимыми. Эти частицы также ни с чем не взаимодействуют, иначе мы бы их уже обнаружили. Суперсимметрия указала бы в направлении универсальной теории в физике Главная цель физики — постоянно конденсировать наше понимание вселенной все более простыми терминами. К примеру, теперь мы понимаем, что гравитация, которая привела к падению яблока на голову Ньютона, — это та же гравитация, которая управляет планетами и звездами.
И теперь мы знаем, что законы электричества и законы магнетизма — просто два закона, которые определяют единую фундаментальную силу электромагнетизма. Если суперсимметричные частицы включены в Стандартную модель, они бы тесно связали три из четырех фундаментальных сил, которые описываются Стандартной моделью: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие. Суперсимметрия будет означать, что все эти три силы будут обладать одной и той же силой на очень высоких энергетических уровнях. Многомерное пространство Калаби-Яу В частности, суперсимметрия может укрепить теорию струн. Суперсимметрия часто описывается как трамплин для теории струн — чтобы она стала возможной, необходима некоторая версия суперсимметрии.
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.
Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить вещество во взаимодействие, и наоборот. Теория суперсимметрии выдвигалась многими физиками-теоретиками в качестве средства объяснения некоторых несоответствий в Стандартной модели Вселенной. Эти физики очень рассчитывали получить с помощью Большого адронного коллайдера первое экспериментальное подтверждение этой теории. Однако новое наблюдение, о котором было доложено на конференции по физике адронного коллайдера в Киото, противоречит многим моделям в рамках теории суперсимметрии. Теория суперсимметрии Гипотеза суперсимметрии была впервые сформулирована в 1973 году австрийским физиком Юлиусом Вессом и итальянским физиком Бруно Зумино и постулирует существование определенного рода симметрии между двумя основными классами частиц — бозонами и фермионами. Фактически, гипотеза суперсимметрии позволяет при помощи преобразований связать воедино вещество и излучение. На сегодня эта гипотеза не была подтверждена экспериментально. Для того чтобы фактически проверить ее, существует несколько возможностей. Одна из них заключается в поиске определенных цепочек превращения элементарных частиц в коллайдере внутри БАК элементарные частицы сталкиваются друг с другом, и этот процесс приводит последовательному образованию других частиц.
"Теория проигрывает эксперименту": новый кризис в физике высоких энергий?
Стандартная модель также не может объяснить присутствие таинственного вещества под названием темная материя, которое удерживает галактики вместе. И не может объяснить, почему во Вселенной намного больше материи, чем антиматерии, хотя должно быть равное количество. Суперсимметрия — это расширение Стандартной модели, которое могло бы помочь заполнить некоторые из этих недостатков. Она прогнозирует, что каждая частица в Стандартной модели может обладать пока не обнаруженным партнером. Это касается даже знакомых нам частиц вроде электронов. Суперсимметрия предсказывает, что у электронов есть партнеры «селектроны», у фотонов — «фотино» и так далее.
Вот все пробелы в физике, которые может исправить суперсимметрия. Хиггс, который физики наблюдали на БАК в 2012 году, намного легче, чем ожидалось. Стандартная модель предсказывает, что бозон Хиггса в триллионы раз тяжелее, чем тот, что наблюдали физики во время первого запуска БАК, как говорит Дон Линкольн, физик из Лаборатории Ферми. Будучи частицей, которая дает массу другим частицам, Хиггс должен быть очень тяжелым, поскольку взаимодействует с огромным числом частиц. Частицы-партнеры, предсказываемые суперсимметрией, могли бы поправить это.
Если они существуют, эти дополнительные частицы отменяли бы вклад партнеров в массу Хиггса. Потому бозон Хиггса был бы легким, как мы его и наблюдали. Это естественное объяснение куда более желательно, чем внесение корректировок в существующую Стандартную модель.
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.
Однако новые частицы с массами известных частиц Стандартной модели никогда не наблюдались. Также без нарушения суперсимметрии не работал бы хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии. Чтобы применять суперсимметричные модели в физике высоких энергий, необходимо потребовать нарушение суперсимметрии. При этом суперпартнеры могут приобрести большие массы, чем можно объяснить их ненаблюдение в настоящее время. Конкретный механизм нарушения суперсимметрии сейчас неизвестен. Это существенно снижает предсказательную силу модели, так как в ней появляется большое число свободных параметров, подбирая которые, можно получать произвольные следствия. Некоторые соображения, например, гипотеза великого объединения, позволяют ограничить число свободных параметров. Исследование ограничений на параметры суперсимметричных моделей является одним из важных направлений в исследовании физики за пределами Стандартной модели.
Экспериментальный статус суперсимметричных моделей Суперсимметрия является одним из основных кандидатов на роль новой теории в физике элементарных частиц за рамками Стандартной модели. Поиски различных проявлений суперсимметрии в природе были одной из главных задач многочисленных экспериментов на коллайдерах LEP — большой электрон-позитронный коллайдер и Тэватрон и в неускорительных экспериментах на протяжении нескольких десятилетий. К сожалению, результат пока отрицательный. Нет никаких прямых указаний на существование суперсимметрии в физике элементарных частиц, хотя имеющиеся суперсимметричные модели в целом не запрещены имеющимися теоретическими и экспериментальными требованиями. Его энергия в семь раз превосходит энергию действующего американского ускорителя Тэватрона.
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. Но в 1964 году был обнаружен редкий распад долгоживущего нейтрального К-мезона, свидетельствующий, что это не так. Сахаров сразу же отметил, что именно невыполнение СР-инвариантности на ранних стадиях образования горячей Вселенной могло привести к её барионной асимметрии — преобладанию вещества над антивеществом. Тогда всё сущее, в том числе, конечно, и мы сами, порождено нарушенной симметрией. Читайте также: Пока живу вселенная сияет Оставалось, однако, непонятным, как нарушение СР-инвариантности «втиснуть» в рамки бытовавших в то время теоретических представлений. Дело в том, что тогда ещё только-только была предложена американцами М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом систематизация упоминавшегося выше «зоопарка» адронов, основанная на представлении, что они состоят из кварков трёх типов — u, d и s и соответствующих антикварков.
Но нарушению СР-инвариантности там места не было. И тогда Кобаяши и Маскава обратили внимание на то обстоятельство, что несохранение СР-чётности можно описать весьма непринуждённо, если кроме упомянутых выше имеются как минимум ещё три кварка. Говоря точнее, если в природе существует не менее трёх поколений кварков. Их догадка блестяще подтвердилась, теперь мы знаем, что три поколения — это пары ud -, cs - и tb -кварков, которые, однако, «смешиваются» друг с другом. Последний, тяжёлый t-кварк третьего поколения, «поймали» в Национальной ускорительной лаборатории им. Более того, выяснилось, что при распадах нейтральных B-мезонов СР-чётность нарушается намного сильнее, чем в аналогичных процессах с участием К-мезонов, о которых упоминалось выше. В заключение заметим, что во всей этой захватывающей физике микромира ещё далеко не всё понятно. По существу, пока мы не знаем самого главного: в чём причина нарушения симметрии в слабых взаимодействиях? Дальнейшее тесно связано со свойствами хиггсовского бозона, существование которого предсказывается так называемой стандартной моделью см. Если же выяснится, что его нет, это будет означать, что глубинную структуру материи мы понимаем в действительности намного хуже, чем кажется сейчас.
Словарик к статье Адроны от греч. Киральная симметрия от греч. Это глобальная симметрия — она не зависит от координат пространства-времени. Киральная симметрия скомбинирована из двух различных симметрий, одна из которых — симметрия взаимодействия адронов относительно преобразований в группе частиц с очень похожими свойствами в так называемом изотопическом пространстве , другая — так называемая внутренняя чётность, которая характеризует поведение волновой функции частицы при инверсии пространственных координат. Нарушение киральной симметрии приводит к появлению связанных фермионов, подобно куперовским парам в сверхпроводниках. Когерентность — согласованное протекание во времени и в пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Мезоны от греч. Существует множество мезонов с самой разной массой, временем жизни, квантовыми характеристиками, заряженных и нейтральных. Все мезоны состоят из кварка и антикварка. Фермионы — частицы, подчиняющиеся принципу Паули: два фермиона не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии.
К фермионам относятся нуклоны, нейтрино, кварки и другие частицы с полуцелым спином. Названы в честь Э. Ферми, который одновременно с П.
По словам профессора Воробьева, о результатах экспериментов можно будет точно говорить в конце 2012 года Фото: hepd.
Алексей Воробьев: В ходе эксперимента сталкиваются два протона больших энергий. В результате рождается много разных частиц. Среди них рождаются B-мезоны. И специфика высоких энергий такова, что их рождается достаточно много.
Живут они очень мало —10-12 секунд, после тут же распадаются.
Нобелевская премия по физике 2008 года. Нобелевская асимметрия
Чтобы понять важность этих результатов, нужно вернуться к основам. Как мы знаем, стандартная модель описывает элементарные частицы, которые составляют вселенную, а также их взаимодействие. В настоящее время это одно из лучших описаний субатомного мира, в соответствии с церн, которое, однако, имеет ряд брешей. Она не может описать гравитацию, не объясняет существование темной материи и не может предсказать массу бозона хиггса. К стандартной модели создаются дополнения, но ученые непрерывно ищут расхождения внутри нее, которые могут указать в направлении новой физики. И теория суперсимметрии является одним из лучших кандидатов на замену см.
Второй вариант подразумевает не поиск новых частиц, а обнаружение недостатка энергии при определенных типах столкновений. Согласно положениям гипотезы суперсимметрии, за такой недостаток «ответственны» нейтралино — один из типов гипотетических суперсимметричных частиц. По итогам анализа части данных, собранных на детекторах CMS и ATLAS в течение 2010 года, ученые не обнаружили событий, которые соответствовали бы проявлениям гипотезы суперсимметрии. Однако исследователи отмечают, что пока рано полностью ее исключать — с их точки зрения, новые результаты только устанавливают более высокие энергетические пределы для проявления суперсимметрии. Зачем нужен большой адронный коллайдер Большой адронный коллайдер — ускоритель частиц, благодаря которому физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Суть работ на коллайдере заключается в изучении столкновения двух пучков протонов с суммарной энергией 14 ТэВ на один протон. Эта энергия в миллионы раз больше, чем энергия, выделяемая в единичном акте термоядерного синтеза. Кроме того, будут проводиться эксперименты с ядрами свинца, сталкивающимися при энергии 1150 ТэВ. Ускоритель БАК обеспечит новую ступень в ряду открытий частиц, которые начались столетие назад.
Поэтому, если бы суперсимметрия была природной симметрией, у каждого из известных нам типов элементарных частиц должны были бы быть партнёры, пока нами не открытые. А поскольку нам известно более 20 частиц, то работы у нас непочатый край! Так что же это за симметрия? Это симметрия, связывающая пространство и время с направлениями пространства и времени суперпартнёров — иначе говоря, у пространства-времени имеются дополнительные измерения, непохожие на знакомые нам. В бозонном измерении — к ним мы привыкли — можно двигаться сколько угодно далеко, допустим, шаг за шагом продвигаться влево. В фермионном измерении всё устроено так, что можно сделать только один шаг. Если сделать ещё один шаг, то вы окажетесь нигде. Вы можете только вернуться. Это звучит странно, и это так и есть; в итоге приходится определять такие измерения через математику, а не при помощи слов или аналогий. Теория относительности Эйнштейна прекрасно справляется с описанием и предсказанием множества аспектов нашего мира. Его теория состоит из набора уравнению, подчиняющихся определённому набору симметрий. К примеру — трансляционная симметрия, или симметрия, связанная с переносом эксперимента из одного места пространства-времени в другое: эксперимент, проведённый сегодня в Лондоне, даст такой же результат, как тот же самый эксперимент, проведённый через несколько месяцев в Токио. В 1960-х математически было доказано, что суперсимметрия — это единственная симметрия, которую можно добавить к симметриям теории Эйнштейна так, чтобы получившиеся уравнения не стали расходиться со свойствами реального мира. В этом смысле суперсимметрия стоит особняком. Где же эти частицы-суперпартнёры? Если бы суперссиметрия была точной симметрией природы, мы бы уже нашли множество суперпартнёров. Перед тем, как следовать далее, давайте вспомним, какие нам известны элементарные частицы. В статье по ссылке рис. Имена у них довольно уродливые, сэлектрон и странный скварк, где «с» означает суперсимметрию. Вы можете спросить, почему их по две и почему для каждого нейтрино всего по одной. Обратитесь к рис. У фотона есть фотино, у глюонов — глюино, и т. С массивными W-бозонами всё чуть сложнее. К сожалению, в физике частиц с именованием частиц есть постоянная проблема — букв не хватает. У всех этих частиц точно такая же масса, в этом воображаемом суперсимметричном мире. Одна безмассовая, вторая массивная. Почему две?
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. 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.
Симметрия, суперсимметрия и супергравитация
Для завершения обоснования суперсимметрии природы инфраструктурной динамикой -позитрония в «условиях резонанса» остаётся напомнить о возможности представления. Киральная симметрия (от греч. cheir — рука) — инвариантность уравнений квантовой теории поля относительно преобразований, перемешивающих состояния частиц как с различными. Физики со всего мира на встрече в Копенгагене подвели итоги пари, касающегося теории суперсимметрии, пишет научно-популярное издание Quanta. С момента ввода в обиход теории суперсимметрии и до настоящего времени эта теория являлась лишь только неподтвержденной физической гипотезой.
СУПЕРСИММЕТРИЯ
Рольф Хойер, генеральный директор ЦЕРН, регулярно включает его в качестве одной из целей «новой физики» для ускорителя. Но в некоторых прогнозах, перед тем, как гигантская машина начала свою работу в марте 2010 предполагалось, что сигналы SUSY окажутся быстрее. Существует много споров об этой теории, но суперсимметрия является одним из наиболее привлекательно возможных расширений Стандартной модели и ведущим претендентом в новых принципах природы, которые можно открыть только при большой энергии коллайдеров. Поэтому суперсимметричные частицы скорее всего можно будет заметить в начале 2015 года, когда мощность коллайдера, а следовательно столкновение частиц будет в два раза сильнее.
Теория струн гласит, что вместо частиц, Вселенная состоит из микроскопических струн. Такая точка зрения может заменить нынешнее объяснение об устройстве Вселенной, Стандартной модели, разработанной в 1970-х годах, но в ней есть пробелы, которые включают гравитацию.
Поиск SUSY, или доказать что его не существует, является частью программы подземного ускорителя, где частицы сталкиваются с околосветовой скоростью и создают миллиарды взрывов, наподобие первобытного Большого взрыва. Рольф Хойер, генеральный директор ЦЕРН, регулярно включает его в качестве одной из целей «новой физики» для ускорителя.
Но если суперпартнёры очень массивные, не может ли получиться так, что мы не сможем произвести ни одного из них в ближайшие десятилетия или даже столетия? Не занимаемся ли мы подсчётом количества ангелов, способных уместиться на кончике иглы?
Из всего вышеизложенного пока действительно следует, что такой риск существует. Однако есть и более тонкий аргумент в пользу наличия суперсимметрии, благодаря которому у многих физиков есть надежда на то, что все эти суперпартнёры находятся в пределах досягаемости Большого адронного коллайдера. Это следует из того факта, что суперсимметрия решила бы проблему иерархии — одну из величайших загадок нашего мира. Проблема иерархии Важным свойством природы, ставящим в тупик учёных, а в их числе и меня, является свойство иерархии — огромной разницы между свойствами слабого ядерного взаимодействия и гравитации.
Эту иерархию можно описать несколькими разными способами, каждый из которых упирает на одно из её свойств. Например: Масса мельчайшей возможной чёрной дыры определяет то, что известно, как планковская масса. В связи с этим существует огромная иерархия масштабов массы между слабым ядерным взаимодействием и гравитацией. Сталкиваясь с таким огромным числом, как 10 000 000 000 000 000, десять квадриллионов, физики естественным образом задают вопрос: откуда оно взялось?
И у него может быть довольно интересное объяснение. Но пытаясь найти это объяснение в 1970-х, физики увидели существование серьёзной проблемы, даже парадокса, скрывающегося за этим числом. Эта проблема, известная сейчас, как проблема иерархии, связана с размером ненулевого поля Хиггса, которое в свою очередь определяет массу частиц W и Z. Но оказывается, что из квантовой механики следует, что такой размер поля Хиггса нестабилен, это нечто вроде аналогия неполная!
Из известной нам физики, из квантового дрожания, вроде бы следует, что для поля Хиггса должно существовать два естественных значения — по аналогии с двумя естественными местами для вазы, либо твёрдо стоящей на столе, либо валяющейся разбитой на полу. И получается, что поле Хиггса вроде бы должно быть либо нулевым, или оно должно быть сопоставимым по размеру с планковской энергией, в 10 000 000 000 000 000 больше наблюдаемого значения. Почему же его значение получается ненулевым и таким крохотным, таким, на первый взгляд, неестественным? Это и есть проблема иерархии.
Многие физики-теоретики посвящали заметную часть своей карьеры попыткам решения этой проблемы. Некоторые утверждали, что нам нужны новые частицы и новые взаимодействия их идеи проходят под именами суперсимметрии, техницвета, малого Хиггса, и т. Некоторые говорили, что наше понимание гравитации ошибочно, и что существуют новые, неизвестные измерения «дополнительные измерения» пространства, которые мы обнаружим в ближайшем будущем в экспериментах на БАК. Другие говорят, что тут и объяснять нечего, поскольку действует эффект отбора: Вселенная гораздо больше и разнообразнее, чем наблюдаемая нами часть, и мы живём в довольно неестественной части Вселенной в основном потому, что оставшаяся её часть непригодна для жизни — точно так же, как, несмотря на то, что каменистые планеты встречаются редко, мы живём на одной из них оттого, что только тут мы могли эволюционировать и выжить.
Возможно, у этой проблемы существуют и другие, пока не придуманные решения. Многие из этих из этих решений — уж точно все решения с новыми частицами и взаимодействиями, и с новыми измерениями — предсказывают, что новые явления можно будет увидеть на БАК. И постепенно, но неумолимо БАК исключает эти возможности одну за другой. Пока что мы не видели никаких неожиданных явлений.
Но мы находимся только в начале пути.
Физики не согласны с этими обвинениями: они полвека гонялись за бозоном Хиггса и уже почти опустили руки, пока матушка природа чуть ли не вложила его им в ладони. Тем временем космологи весьма разношерстная группа ученых , наконец сошлись во мнениях о стандартной модели нашей Вселенной. О ней мы тоже больше ничего не знаем. В целом о существовании этой темной стороны вселенной мы знаем только по аномальной скорости вращения звезд и галактик. Вряд ли это может означать конец науке. В конце концов, мы можем заблуждаться в наших представлениях о гравитации. Лучший подарок для любого современного физика — это новые неожиданные свидетельства, которые могли бы пошатнуть «стандартные модели».
Возможно, прорыв случится, когда мы выясним природу темной материи. Возможно, что-то новенькое нам подкинет Большой адронный коллайдер, где каждое зарегистрированное столкновение частиц — новый шаг в неизвестность. Во вселенной может быть 11 измерений. А может быть, она — лишь плод чьей-то фантазии. Может быть, жизнь зародилась на Марсе, а может, мы — биты информации в компьютерной симуляции. Сам поиск истины о нашем существовании и мире вокруг нас — вечный источник человеческого вдохновения, будь то музыка, искусство или наука. Пока поиск продолжается, у нас есть смысл жизни.
Симметрия, суперсимметрия и супергравитация
Теория предсказывает наличие закона периодического изменения вероятности обнаружения частицы определённого сорта в зависимости от прошедшего с момента создания частицы. SIS’23 привлекло ведущих специалистов в квантовой теории поля и современной математической физики. Теория суперсимметрии основывается на стандартной модели физики, которая включает гравитацию и объясняет существование темной материи и темной энергии. Это позволяет связать суперсимметрии и деформации пространственно-временной метрики, которые, согласно общей теории относительности, и есть причина тяготения.
Данные, полученные на БАК, поставили под сомнение теорию суперсимметрии
Такие чёрные дыры образовывались не за счёт гравитационного коллапса крупной звезды, как обычные чёрные дыры, а из сверхплотной материи в момент начального расширения Вселенной. Наши коллеги из Новосибирского государственного университета активно занимаются этим направлением. Учёные предполагают, что при столкновении подобных частиц может родиться частица тёмной материи. Но непосредственно зарегистрировать частицы неизвестного вещества вряд ли получится, так как они должны иметь крайне низкую вероятность регистрации системами детектора. С помощью... Однако при помощи детектора можно проанализировать все другие частицы, появившиеся при столкновении, и определить, что объём детектора покинула какая-то частица, которая, предположительно, может быть связана с частицами тёмной материи.
Однако не факт, что частицы, рождённые в коллайдерах, — это те самые, которые отвечают за скрытую массу во Вселенной. Существуют и методы регистрации тёмной материи с помощью регистрации излучения от массивных объектов. Учёным известно, что там, где наблюдаются большие скопления видимого вещества, тёмная материя тоже имеет более высокую плотность. Ожидается, что при достаточной плотности частицы тёмной материи могут столкнуться и аннигилировать, излучая при этом частицы обычной материи, которая уже может быть зарегистрирована. Однако этот метод не позволяет точно определить, что излучение исходит именно от тёмной материи.
Согласно научным представлениям, Вселенная состоит из элементарных частиц двух типов: переносчиков взаимодействий — бозонов — и «кирпичиков» материи — фермионов. Существует также теория суперсимметрии — гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы. В данной теории, образно говоря, взаимодействие становится материей, а материя — взаимодействием. Причём из теории суперсимметрии следует существование новых частиц — аналогов уже известных элементарных частиц. Одна из таких гипотетических частиц — нейтралино, которая может являться вимпом.
Этот эффект уже зарегистрирован для нейтрино, и, вероятно, вимпы будут рассеиваться таким же образом. Вероятность когерентного рассеяния выше, если частицы тёмной материи будут сталкиваться с тяжёлыми элементами, ядра которых содержат много протонов и нейтронов. Но по мере роста массы ядра снижается передача энергии такого взаимодействия, поэтому рассеяние будет сложно зарегистрировать.
При этом пучок сфокусирован в еще меньший размер, то есть плотность энергии еще выше. Параметры пучка и мишени выбраны так, что мишень находится на грани взрыва. Чем больше энергия, тем больше «открывательная» способность. Но максимальная энергия ограничена размерами ускорителя. Хотя intensity frontier эксперименты не могут доставить такую же детальную картину, как energy frontier, они могут видеть эффекты, которые недоступны экспериментам в energy frontier, проводя измерения редких процессов с очень высокой точностью.
LHC успешно работает, и сейчас обсуждается возможность строительства установки еще большего размера. На данном этапе определенности нет, все упирается в стоимость. Решение может быть принято как через 5 лет, так и через 50. Для понимания: мы говорим про установки, стоимость которых колеблется в пределах от 5 до 20 млрд долларов и которые потребляют 0,5—1ГВт. Даже по меркам физики высоких энергий — это огромные затраты. Если мы делаем машину на порядок больше по энергии, то потребляемая мощность и стоимость будут в три-четыре раза выше. Гигаватт энергии расходует солидный город. А стоимость также зависит от того, что учитывать.
В американской системе подсчета, которая учитывает все, стоимость будет раза в два больше, чем в европейской. В CERN финансирование фиксировано правительствами европейских стран. На этот бюджет они ничего заметно большего, чем LHC, построить не могут. До сих пор стоимости были более или менее посильными. Tevatron в современных деньгах стоит шесть млрд долларов, у LHC — сопоставимая цифра. LHC в четыре раза длиннее, но за счет развития технологий, массового производства и накопленного опыта стоимость LHC получилась дешевле на метр, однако полные стоимости сопоставимы. Если говорить про строительство следующей машины, на мой взгляд, правильно было бы вкладываться в эксперименты с высокой светимостью. Их можно проводить на LHC его параметры позволяют это сделать , можно создавать новые установки на гораздо меньших энергиях.
Главное, проводить прецизионные измерения, которые позволяют увидеть отклонения от предсказаний Стандартной модели. По величине этих отклонений можно судить, где находится «новая физика». Если по косвенным измерениям окажется, что для наблюдения следующих событий нужны колоссально высокие энергии, недостижимые для современной науки, то строить что-то с энергией больше LHC необходимости нет. Если же будет видно, что такая энергия нам доступна, тогда человечество будет создавать установку следующего уровня. Я думаю, что сейчас лучше вкладываться в точные эксперименты на относительно низкой энергии. Это только мое мнение, его далеко не все разделяют. В нем с очень высокой точностью измеряется аномальный магнитный момент мюона. Это важно, так как сейчас мы наблюдаем расхождение между теорией и экспериментом.
Замечу, что в теоретические предсказания аномального момента входит и вклад от сильного взаимодействия, который в настоящее время невозможно вычислить, основываясь на «чистой» теории. Обойти эти сложности можно, используя результаты других экспериментов. ВЭПП-2000 — коллайдер Института ядерной физики СО РАН в Новосибирске — предоставил необходимую информацию об адронных взаимодействиях, которая используется в вычислениях аномального магнитного момента мюона. Другой эксперимент — Mu2e — нацелен на поиск безнейтринного распада мюона. Он использует то же самое накопительное кольцо, что и g-2, и начнется сразу после окончания g-2, примерно через два года. Согласно Стандартной модели, мюон распадается на два нейтрино и электрон или позитрон в случае положительно заряженного мюона. Когда я учился в университете, все было просто. Есть электрон, к нему привязано электронное нейтрино.
Физики полагают, что обнаруженные LIGO волны пространства-времени порождены слиянием не обычных, а первичных черных дыр. Такие гравитационные объекты, согласно наиболее популярной в науке стандартной космологической модели , возникали на ранних стадиях эволюции Вселенной в момент начала ее расширения. Наиболее популярным кандидатом на роль вещества, которое могло бы сформировать первичные черные дыры, выступает темная материя, представляемая суперсимметричными частицами. Ученые полагают, что такого типа симметрия существовала на ранних этапах развития Вселенной, но в процессе ее старения расширения и охлаждения она нарушилась.
Но в некоторых прогнозах, перед тем, как гигантская машина начала свою работу в марте 2010 предполагалось, что сигналы SUSY окажутся быстрее. Существует много споров об этой теории, но суперсимметрия является одним из наиболее привлекательно возможных расширений Стандартной модели и ведущим претендентом в новых принципах природы, которые можно открыть только при большой энергии коллайдеров. Поэтому суперсимметричные частицы скорее всего можно будет заметить в начале 2015 года, когда мощность коллайдера, а следовательно столкновение частиц будет в два раза сильнее.
СУПЕРСИММЕ́ТРИ́Я
Это удар по суперсимметрии, который, однако, не сбрасывает теорию со счетов. В чем заключается «кризис суперсимметрии», как «поделить» физику высоких энергий и для чего нужно строить у себя установки класса megascience, в интервью. суперсимметрия.
"Теория проигрывает эксперименту": новый кризис в физике высоких энергий?
Теории, включающие суперсимметрию, дают возможность решить несколько проблем, присущих Стандартной модели. Важное предсказание суперсимметрии – существование суперрасширения теории гравитации, супергравитации, и суперсимметричного партнера гравитона – гравитино, частицы со спином 3/2. Лектор рассказывает о теории суперструн, голографических чёрных дырах, столкновениях параллельных вселенных и о других интересных явлениях. Спонтанное нарушение суперсимметрии (общая теория). Механизм Файе — Илиопулоса спонтанного нарушения суперсимметрии. Теория струн предсказывает, что между этими двумя частицами существует связь, называемая суперсимметрией, при которой для каждого фермиона должен существовать бозон, и наоборот.