SIS’23 привлекло ведущих специалистов в квантовой теории поля и современной математической физики. Тем не менее этот вопрос был решен в начале 1980-х годов вместе с введением в теорию струн так называемой “суперсимметрии”. Суперсимметрия дает способ объединить электрослабое и сильные взаимодействия и в конечном счете создать единую теорию поля. Спонтанное нарушение суперсимметрии (общая теория). Механизм Файе — Илиопулоса спонтанного нарушения суперсимметрии.
[Перевод] Суперсимметрия не подтверждается экспериментами, и физики ищут новые идеи
| Физики открыли пятую силу природы. Главное об эксперименте с мюоном g-2 | На днях теория суперсимметрии получила еще один удар от Большого адронного коллайдера (БАК). |
| Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной | SIS’23 привлекло ведущих специалистов в квантовой теории поля и современной математической физики. |
Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной
Суперсимметрия важна для теории струн, но наличие суперсимметрии в природе само по себе не означает, что последняя — правильная физическая теория. Напр., в теории С. происходит сокращение бесконечностей, которые присущи всем релятивистским теориям и представляют проблему, особенно в квантовой гравитации. Существует много споров об этой теории, но суперсимметрия является одним из наиболее привлекательно возможных расширений Стандартной модели и ведущим претендентом в. Возвращаясь к эпизоду "Теории большого взрыва", предлагаемым объяснением наблюдаемого в настоящее время несоответствия является суперсимметрия.
С теорией суперсимметрии придётся расстаться
Теория суперструн кратко и понятно, просто и элегантно объясняет переход длины в массу. Свернутые измерения здесь гораздо сложнее тора, но в принципе они работают также. Возможно даже, хотя это трудно представить, что струна оборачивает тор в двух направлениях одновременно, результатом чего будет другая частица с другой массой. Браны тоже могут оборачивать дополнительные измерения, создавая еще больше возможностей. Определение пространства и времени Во многих версиях теория суперструн измерения сворачивает, делая их ненаблюдаемыми на современном уровне развития технологии. В настоящее время не ясно, сможет ли теория струн объяснить фундаментальную природу пространства и времени больше, чем это сделал Эйнштейн. В ней измерения являются фоном для взаимодействия струн и самостоятельного реального смысла не имеют. Предлагались объяснения, до конца не доработанные, касавшиеся представления пространства-времени как производного общей суммы всех струнных взаимодействий.
Такой подход не отвечает представлениям некоторых физиков, что привело к критике гипотезы. Конкурентная теория петлевой квантовой гравитации в качестве отправной точки использует квантование пространства и времени. Некоторые считают, что в конечном итоге она окажется лишь другим подходом ко все той же базовой гипотезе. Квантование силы тяжести Главным достижением данной гипотезы, если она подтвердится, будет квантовая теория гравитации. Текущее описание силы тяжести в ОТО не согласуется с квантовой физикой. Последняя, накладывая ограничения на поведение небольших частиц, при попытке исследовать Вселенную в крайне малых масштабах ведет к возникновению противоречий. Унификация сил В настоящее время физикам известны четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнитная, слабые и сильные ядерные взаимодействия.
Из теории струн следует, что все они когда-то являлись проявлениями одной. Согласно этой гипотезе, так как ранняя вселенная остыла после большого взрыва, это единое взаимодействие стало распадаться на разные, действующие сегодня. Эксперименты с высокими энергиями когда-нибудь позволят нам обнаружить объединение этих сил, хотя такие опыты находятся далеко за пределами текущего развития технологии. Пять вариантов После суперструнной революции 1984 г. Физики, перебирая версии теории струн в надежде найти универсальную истинную формулу, создали 5 разных самодостаточных варианта. Какие-то их свойства отражали физическую реальность мира, другие не соответствовали действительности. М-теория На конференции в 1995 году физик Эдвард Виттен предложил смелое решение проблемы пяти гипотез.
Основываясь на недавно обнаруженой дуальности, все они стали частными случаями единой всеобъемлющей концепции, названной Виттеном М-теория суперструн. Одним из ключевых ее понятий стали браны сокращение от мембраны , фундаментальные объекты, обладающие более чем 1 измерением. Хотя автор не предложил полную версию, которой нет до сих пор, М-теория суперструн кратко состоит из таких черт: 11-мерность 10 пространственных плюс 1 временное измерение ; двойственности, которые приводят к пяти теориям, объясняющих ту же физическую реальность; браны — струны, с более чем 1 измерением. Следствия В результате вместо одного возникло 10500 решений. Для некоторых физиков это стало причиной кризиса, другие же приняли антропный принцип, объясняющий свойства вселенной нашим присутствием в ней. Остается ожидать, когда теоретики найдут другой способ ориентирования в теории суперструн.
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. 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.
Никто не гарантирует, что она вообще будет соответствовать MSSM! Надежда физиков при запуске LHC состояла в том, что тем не менее одно с другим сможет состыковаться: какова бы ни была в реальности суперсимметрия, ее проявления в каком-то виде заметит и стратегия, предназначенная для простых опорных моделей. Это, подчеркнем, именно надежда, а не доказанное утверждение. Обзор экспериментальных данных Обратимся теперь к текущей ситуации в свете данных LHC. Прямые поиски суперчастиц до сих пор дают отрицательный результат во всех проверенных типах процессов см. И это несмотря на то, что LHC смог уже прощупать диапазон масс суперчастиц в несколько раз больший, чем все предыдущие эксперименты! На рис. Обратите внимание на то, как разительно отличаются масштабы по осям! Закрашенные области слева и области под цветными кривыми показывают диапазоны параметров модели, закрытые в эксперименте. Прерывистые кривые показывают области параметров, которые отвечают суперчастицам определенной массы. Источник изображения Наибольшие ограничения по массе были получены для скварков и глюино суперпартнеров кварков и глюонов ; нижние пределы на их массы уже превышают 1 ТэВ. Это и неудивительно, поскольку они участвуют в сильном взаимодействии, и значит, им проще рождаться в столкновении протонов. При этом скварки здесь относятся только к первым двум поколениям то есть это суперпартнеры легких кварков. Ограничения на топ-скварки — или, как чаще говорят, «стопы» — меньше, в районе 500—600 ГэВ, просто из-за того, что труднее анализировать их распады. Ограничения на массы суперпартнеров лептонов слептонов и нейтральных частиц нейтралино заметно хуже и редко превышают 300 ГэВ. При этом легчайшая из нейтралино может даже быть совсем легкой. Будучи нейтральной и стабильной частицей, она просто улетает и не детектируется.
Виртуальные частицы вакуума - электроны и позитроны, на которые тот должен постоянно распадаться и схлопываться назад, должны были бы вносить изменения в форму зарядов исследуемых электронов. Но этого не обнаружено, как и самих виртуальных частиц вакуума. А на этой гипотезе тоже уже успели понастроить различных теорий и предположений. Весь этот мусор, наконец, пойдёт в корзину истории и я рад этому, потому что давно пишу об ошибочности этих теорий. Но у официальной физики нет им альтернативы. Вернее, альтернативных теорий довольно много, но они не признавались и не проверялись, так как противоречили общепризнанным и сколько теперь понадобится времени на отсев, проверку, а главное объединение других теорий сказать сложно. По моей теории квантового пространства за пол года так и не прислали ответа не из РАН, не из Физико-технологического института, не из Китайской Академии. А жаль... Хотя они может ещё про неё и вспомнят. Почему "однобокая", да потому что "привязана" только к восприятию исключительно "нашего" мира, который определяется "на ощуп". В "нашем" мире точно нет суперсимметрии.
Поиски суперсимметрии на коллайдере принесли новую интригу
Причём из теории суперсимметрии следует существование новых частиц — аналогов уже известных элементарных частиц. Теория суперсимметрии предполагает, что физические законы должны оставаться неизменными при перестановке бозонных и фермионных частиц. Знаменитая теория Суперсимметрии, объясняющая основы мироздания, не нашла подтверждения в ходе исследований в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на.
Супер ассиметричная модель вселенной попович
Суперсимметричные теории предсказывают множество новых частиц, суперпартнеров обычных частиц. У кварков, глюонов, лептонов, гравитонов и всех других частиц есть суперпартнеры: скварки, глюино, слептоны, гравитино и т. Проблема только в том, что эти новые частицы — тяжелые, и никто не может заранее сказать, насколько. Когда строился Большой адронный коллайдер, среди физиков царило воодушевление. Многие из них считали, что массы суперчастиц находятся в районе 1 ТэВ или даже меньше, и такие частицы начнут массово рождаться на LHC. Увы, первый сеанс работы коллайдера охладил этот пыл : многочисленные поиски прямых или косвенных проявлений суперсимметрии по-прежнему дают отрицательные результаты см. Но прежде чем рассказывать о них самих, стоит кратко обрисовать, как вообще ищут проявления суперсимметрии на коллайдере.
Сложность тут в том, что у суперсимметрии нет какого-то одного конкретного, железобетонного предсказания, проверяемого прямо сейчас. Имеется большое количество вариантов суперсимметричных теорий, а в них есть неизвестные численные параметры. В результате предсказания для коллайдера могут получиться самые разнообразные — и физики стараются, по возможности, охватить их все. Среди них выделяется главное направление поисков см. Считается, что вначале в столкновении протонов рождаются сильновзаимодействующие суперчастицы — скварки или глюино. Они тяжелые и распадаются на другие, те — распадаются дальше, и т.
Так идет до тех пор, пока не появится легчайшая суперсимметричная частица в зависимости от варианта теории, это может быть нейтралино, гравитино или другие суперчастицы. Главное, что она уже ни на что не распадается, а просто улетает прочь, не будучи даже пойманной детектором. Эта частица уносит большой поперечный импульс, который — в силу неуловимости частицы — не отслеживается детектором. Детектор регистрирует все обычные частицы, измеряет их импульсы и видит, что они не складываются в нуль, то есть заметная часть импульса «теряется». Такой дисбаланс в поперечном импульсе указывает на то, что в столкновении родилась какая-то неуловимая частица высокой энергии. 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!
Рияз Масалимов Рияз Масалим 09-09-2011 16:48 link Отрицательный результат - тоже результат. Всё нормально. Если все "красивые" гипотезы подтверждались, то давно всё было бы открыто, и, естественно, развитие на этом кончилось бы, и всё бы закончилось.
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? Оказывается, в суперсимметричном мире необходимо наличие двух частиц для того, чтобы у верхних и нижних кварков масса появлялась обычным способом. Второй аргумент — два хиггсино необходимы для математической непротиворечивости. Но, очевидно, что этот идеально суперсимметричный мир — не наш. Мы бы уже более ста лет назад знали о существовании частиц, у которых был бы такой же электрический заряд и такая же масса, как у электронов, но при этом они бы электронами не являлись. Например, у нас были бы атомы с электронами, атомы с сэлектронами, и атомы с их смесью. Количество типов атомов было бы намного большим наблюдаемого, и поскольку бозоны в атомах вели бы себя совершенно не так, как фермионы, химия новых атомов была бы совершенно другой. Данные и повседневный опыт исключают эту возможность. Нет никаких сэлектронов с массой электронов, и точка. Так что точная суперсимметрия не является корректной теорией природы, и мы это знали ещё до того, как её задумывали. Конец суперсимметрии? Не так быстро. Несмотря на кажущуюся катастрофу, изначальная теория суперсимметрии даёт нам простой и правдоподобный выход из ситуации. В физике распространена идея о том, что симметрии могут быть спрятаны от нашего взора физики говорят, спонтанно нарушаться, но это не очень хороший интуитивный пример — симметрия есть, её просто сложно распознать. Законы природы не зависят от того, каким образом будет ориентирован эксперимент см. Это так и есть, но это сложно увидеть на Земле, где имеет значение, повёрнут ли ваш эксперимент нужной стороной вверх, или он находится вверх ногами, или он наклонён. Но в далёком космосе, далеко от планет, лун и звёзд, законы природы обладают вращательной симметрией. Ваш эксперимент даст один и тот же ответ вне зависимости от его ориентации. Кстати, измерения света, испущенного очень удалёнными атомами, подтверждают эту теорию. Земля нас запутывает.
Остальные три силы намного сильнее. Гравитация имеет крайне важное значение для физики, и ее поведение описывает общая теория относительности Эйнштейна. 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. Суперсимметрия может объяснить, почему бозон Хиггса такой легкий Несмотря на то, что Стандартная модель предсказала существование бозона Хиггса, его обнаружение проделало еще одну трещину в теории. Хиггс, который физики наблюдали на БАК в 2012 году, намного легче, чем ожидалось. Стандартная модель предсказывает, что бозон Хиггса в триллионы раз тяжелее, чем тот, что наблюдали физики во время первого запуска БАК, как говорит Дон Линкольн, физик из Лаборатории Ферми. Будучи частицей, которая дает массу другим частицам, Хиггс должен быть очень тяжелым, поскольку взаимодействует с огромным числом частиц. Частицы-партнеры, предсказываемые суперсимметрией, могли бы поправить это. Если они существуют, эти дополнительные частицы отменяли бы вклад партнеров в массу Хиггса. Потому бозон Хиггса был бы легким, как мы его и наблюдали.
Откройте свой Мир!
Многие думают, что даже если большинство теорий суперсимметрии не подтвердились, появятся новые, которые будут включать этот принцип, но в другой концепции. Суперсимметрия важна для теории струн, но наличие суперсимметрии в природе само по себе не означает, что последняя — правильная физическая теория. Теория суперсимметрии предполагает, что физические законы должны оставаться неизменными при перестановке бозонных и фермионных частиц. Суперсимметрия, возникшая независимо в теории струн, «убила» тахион. Теория суперсимметрии выдвигалась многими физиками-теоретиками в качестве средства объяснения некоторых несоответствий в Стандартной модели Вселенной. Теория суперсимметрии предполагает, что физические законы должны оставаться неизменными при перестановке бозонных и фермионных частиц.
«В настоящее время мы не можем описать Вселенную»
Это удар по суперсимметрии, который, однако, не сбрасывает теорию со счетов. Важные результаты в изучении низкоэнергетических следствий теории суперструн методами суперсимметричной теории поля получила в ходе цикла работ группа теоретиков из ОИЯИ. Важные результаты в изучении низкоэнергетических следствий теории суперструн методами суперсимметричной теории поля получила в ходе цикла работ группа теоретиков из ОИЯИ. Спонтанное нарушение суперсимметрии (общая теория). Механизм Файе — Илиопулоса спонтанного нарушения суперсимметрии. Многие думают, что даже если большинство теорий суперсимметрии не подтвердились, появятся новые, которые будут включать этот принцип, но в другой концепции.