Немногим более сорока лет назад появилась суперсимметрия – теория, в которой каждому существующему фермиону в пару полагается бозон, и наоборот. Немногим более сорока лет назад появилась суперсимметрия – теория, в которой каждому существующему фермиону в пару полагается бозон, и наоборот.
Большой адронный коллайдер подорвал позиции теории суперсимметрии
Несмотря на кажущуюся катастрофу, изначальная теория суперсимметрии даёт нам простой и правдоподобный выход из ситуации. Зачем физики ищут симметрию между элементарными частицами, и почему для работы теории струн нужно двадцать шесть измерений. Это удар по суперсимметрии, который, однако, не сбрасывает теорию со счетов. Теория суперсимметрии возникла в 1970-х годах как способ исправить существенные недостатки Стандартной модели физики высоких энергий. Суперсимметрия дает способ объединить электрослабое и сильные взаимодействия и в конечном счете создать единую теорию поля.
Откройте свой Мир!
Зачем физики ищут симметрию между элементарными частицами, и почему для работы теории струн нужно двадцать шесть измерений. суперсимметрия. Теория суперсимметрии предполагает, что физические законы должны оставаться неизменными при перестановке бозонных и фермионных частиц. Теория суперсимметрии возникла в 1970-х годах как способ исправить существенные недостатки Стандартной модели физики высоких энергий. Тем не менее этот вопрос был решен в начале 1980-х годов вместе с введением в теорию струн так называемой “суперсимметрии”. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга.
Гляжусь, как в зеркало: есть ли шансы у суперсимметрии?
Конечно, одного лишь дисбаланса поперечного импульса мало для открытия Новой физики. В Стандартной модели тоже есть частицы, не регистрируемые детектором, — нейтрино, — и они запросто могут породить похожую картину столкновений. Вдобавок, детекторы неидеальны, и иногда они ошибаются при измерении энергий и импульсов особенно когда приходится мерять адронные струи , целые потоки адронов или даже могут неправильно идентифицировать пролетевшую частицу. Поэтому в реальности физикам приходится тщательно сравнивать полученные данные с предсказаниями Стандартной модели и пытаться найти не просто какую-то статистику событий, а их превышение над фоном Стандартной модели.
Так что каждый поиск, каждый анализ — это кропотливая работа десятков и сотен исследователей в течение месяцев или даже лет. Более подробный рассказ о том, как изучают частицы на коллайдере, читайте в статье Анатомия одной новости. Сейчас, в преддверии нового запуска LHC, экспериментальные группы «подчищают хвосты» — доделывают трудоемкие анализы на основе данных, набранных во время первых трех лет работы коллайдера.
Регулярно появляются и статьи о тех или иных поисках суперсимметрии, но все они пока приводят к отрицательным результатам. Однако за последний месяц обе крупнейшие коллаборации, работающие на LHC, сообщили о наблюдении любопытных отклонений в похожих — но не идентичных! В обеих работах физики изучали события следующего типа: наблюдаются как минимум две адронные струи, лептонная пара электрон-позитрон или мюон-антимюон и потерянный поперечный импульс.
На рис. Конечно, существуют и обычные фоновые процессы, которые дают такой же сигнал. Например, в столкновении протонов может просто родиться Z-бозон, который распадется на лептонную пару, а уж адроны всегда рождаются в избытке.
Если детектор неправильно сосчитает энергию адронных струй, вполне может появиться дисбаланс поперечного импульса. Однако в этом случае дисбаланс будет небольшим, порядка десятков ГэВ. Есть и другие источники фона, но все их физики аккуратно учли.
Два примера событий с рождением и распадом суперсимметричных частиц. Частицы Стандартной модели показаны темным цветом, гипотетические суперсимметричные частицы — красным. В обоих вариантах легчайшая суперсимметричная частица считается стабильной.
Она улетает, не оставляя след в детекторе, и приводит к дисбалансу поперечного импульса, который детектор измеряет. Два типа процесса отличаются тем, как рождаются лептоны, — независимо вверху или резонансно внизу. В детекторе они будут сильно отличаться по распределению инвариантной массы лептонной пары Два типа сигналов, показанные на рис.
На верхней картинке показано нерезонансное рождение лептонов, в котором они излучаются независимо друг от друга. В этом случае энергии двух лептонов не связаны друг с другом, а значит, инвариантная масса этой пары mll может быть самой разной, и большой, и маленькой. На нее имеется лишь ограничение сверху, поскольку эти лептоны получаются из распадов тяжелых частиц.
С точки зрения эксперимента, характерный сигнал таких событий выглядит так: имеется широкое распределение по mll, которое вдруг обрывается выше некоторого значения. Именно этот «обрыв распределения» и искали физики.
Однако исследователи отмечают, что пока рано полностью исключать ее — 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. Тогда ученые еще только обнаружили всевозможные виды таинственных лучей: рентгеновские, катодное излучение. Откуда они возникают, одинаковой ли природы их происхождение и, если да, то какова она? Сегодня мы имеем ответы на вопросы, позволяющие гораздо лучше понять происхождение Вселенной.
Результаты проверки электрического дипольного момента электрона 2013 также не подтвердили варианты суперсимметричных теорий [20]. Тем не менее суперсимметричные теории могут быть подтверждены другими экспериментами, в частности, наблюдениями за распадом нейтрального B0-мезона.
После перезапуска весной 2015 года, БАК планирует начать работу на мощности 13 ТэВ и продолжит поиск отклонений от статистических предсказаний Стандартной модели. Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела. Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон. Отсутствие экспериментальных данных, подтверждающих теорию суперсимметрии, привело к появлению критиков данной теории даже среди бывших энтузиастов суперсимметрии. Так, теоретик Михаил Шифман ещё в октябре 2012 опубликовал критическую статью [24]. В статье он прямо написал, что теория суперсимметрии бесперспективна, что от неё надо отказаться ради новых идей и ради нового поколения физиков-теоретиков чтобы они не стали потерянным поколением.
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. 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.
Крах теории суперсимметрии: большой адронный коллайдер ничего не нашел
| Адронный коллайдер подтвердил теорию суперсимметрии | Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить вещество во взаимодействие, и суперсимметрии выдвигалась многими. |
| ВЗГЛЯД / «Вселенная удваивается» :: Общество | Возвращаясь к эпизоду "Теории большого взрыва", предлагаемым объяснением наблюдаемого в настоящее время несоответствия является суперсимметрия. |
| Данные, полученные на БАК, поставили под сомнение теорию суперсимметрии | Теория суперсимметрии выдвигалась многими физиками-теоретиками в качестве средства объяснения некоторых несоответствий в Стандартной модели Вселенной. |
Вы точно человек?
Теория суперсимметрии основывается на стандартной модели физики, которая включает гравитацию и объясняет существование темной материи и темной энергии. Это удар по суперсимметрии, который, однако, не сбрасывает теорию со счетов. Еще не все потеряно, есть усложненные теории суперсимметрии, по которым суперсимметричных частиц так просто не обнаружишь. Лектор рассказывает о теории суперструн, голографических чёрных дырах, столкновениях параллельных вселенных и о других интересных явлениях.
🔸 Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной🔸
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. Профессор Крис Паркс, который является представителем британской части эксперимента под кодовым обозначением LHCb, говорит: "Суперсимметрия, возможно, не умерла как теория, но эти последние результаты свидетельствуют, что она тяжело больна". Суперсимметрия под вопросом Теория суперсимметрии предполагает существование более массивных версий элементарных частиц по сравнению с наблюдаемыми.
Нобелевский лауреат предположил открытие суперсимметрии Изображение: R. Исследование авторов опубликовано на сайте arXiv. 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.
В 1959 году, выступая на конференции по физике высоких энергий в Киеве, Лев Ландау объявил, что прежний, гамильтонов, подход к теории поля умер, и остается лишь организовать ему достойные похороны. Возникли новые методы, в которых было очень много красивой математики, но не так уж много физического содержания. Но уже через десять лет в рамках старого, уже, казалось бы, похороненного подхода, появилась теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, и Стандартная модель, появились соответствующие предсказания, которые затем были блестяще подтверждены в новых экспериментах. Последнее из этих подтверждений — обнаружение хиггсовского бозона, это, так сказать, теоретический привет из шестидесятых. Само по себе это нормально, но вопрос о том, сменится ли эта фаза реальным прогрессом в понимании природы, остается, на мой взгляд, открытым. Прошлые успехи не гарантируют успеха в будущем. Кроме того, сейчас имеется серьезная объективная трудность: в отличие от 1950-х годов, у нас сейчас не так много экспериментальных данных. Вот если бы БАК или другой ускоритель нашли бы "новую физику", тогда дело бы пошло веселей. А так, в основном, мы имеем только косвенные подтверждения, что новая физика есть. По сути, мы сейчас идем за экспериментами — мы строим коллайдер, он, к счастью, находит бозон Хиггса, но не открывает микро-черные дыры или какие-то другие новые и интересные объекты, вроде суперпартнеров. Теоретики задыхаются от недостатка новых данных и у них, образно говоря, начинаются разнообразные сугубо математические галлюцинации… И это все при том, что острые нерешенные вопросы еще у нас есть. Мне, теоретику, ситуация, в которой теория становится ведомой, совсем не по душе. Мне кажется, что вопрос "нужно ли идти дальше? Я верю в то, что тяга к фундаментальному знанию будет существовать до тех пор, пока существует человечество. Не думаю, что апокалиптическая картина "общества всеобщего потребления", которую нам часто рисуют футуристы, будет воплощена в жизнь до такой степени, что фундаментальная наука станет никому не нужна и ее полностью прекратят финансировать. С другой стороны, есть немало примеров саморазрушительной динамики на уровне индивидуумов и сообществ, поэтому гарантий тут нет. Что касается чисто технической стороны, то в последнее время большое внимание уделяется разработке новых принципов ускорения частиц. Если прогресс в этом направлении будет достигнут, вовсе необязательно строить ускоритель размером с половину континента. В любом случае, пока экспериментаторы ведут в изучении физики частиц, мы будем двигаться в этом направлении. Бозон Хиггса - недостающее звено Стандартной модели За пределами Стандартной модели сейчас находится своеобразная "полоса незнания", побуждающая экспериментаторов строить новые машины и копаться в ней. Это копание проявляется в двух вещах — мы сталкиваем частицы на все более высоких энергиях, надеясь найти что-то новое, и более точно промеряем параметры их взаимодействий. Это тоже очень большая работа, которая, может быть, не принесет каких-то громких фундаментальных открытий, но крайне важна для понимания общей картины устройства мироздания. Иными словами, я пока не готов окончательно хоронить ни экспериментальную, ни теоретическую физику высоких энергий. При этом меня очень раздражает то, что мы уже несколько десятилетий топчемся на одном месте и так и не можем сформулировать убедительного обобщения всего, что было открыто за последние годы и того, что лежит за пределами Стандартной модели. Я бы сказал, что теоретическая физика высоких энергий находится в кризисе, причем достаточно серьезном.
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. 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.