Иконка канала Математические теоремы: между теорией и практикой.
СУПЕРСИММЕ́ТРИ́Я
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.
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. Однако в самом начале XXI века перед нами стоят новые вопросы, ответы на которые ученые надеются получить с помощью ускорителя БАК.
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.
Пока что никаких намёков на «новую физику» за пределами Стандартной модели — принятого набора уравнений, описывающих известные элементарные частицы — не возникло ни в экспериментах на БАК, ни где-либо ещё. Открытый не так давно бозон Хиггса был предсказан Стандартной моделью. Последние тесты по сталкиванию протонов в Киото, Япония, исключили ещё один большой класс суперсимметричных моделей, и другие теории «новой физики», поскольку не нашли ничего необычного в распадавшихся частицах. В отсутствие намёков на направление движения в экспериментальных данных, как можно догадаться о чём-нибудь, происходящем в природе? Более молодые физики, изучающие частицы, встали перед трудным выбором: следовать путём, проторённым за десятилетия их учителями, и изобретать ещё более изощрённые версии суперсимметрии, или пойти своим путём, без всякого направления со стороны каких бы то ни было данных.
В блогпосте о японских испытаниях Фальковский шутит, что пора уже искать работу в неврологии. Я просто не могу придумать ничего лучше». Суперсимметрия доминировала над физикой частиц десятилетиями, и исключила почти все альтернативные физические теории, выходившие за рамки СМ. Теория привлекательна по трём причинам. Она предсказывает существование частиц, из которых может состоять «тёмная материя», невидимая субстанция, пронизывающая окраины галактик. Она объединяет три фундаментальных взаимодействия при высоких энергиях. И, самое большое преимущество,- она решает загадку физики под названием «проблема калибровочной иерархии».
Загадка связана с несоразмерностью гравитации и слабым ядерным взаимодействием, которое в 100 миллионов триллионов триллионов 1032 раз сильнее, и действует на гораздо меньших масштабах, управляя взаимодействием внутри атомного ядра.
СУПЕРСИММЕТРИЯ
Бесчисленное множество моделей Главная проблема с поиском суперсимметрии — головокружительное количество вариантов суперсимметричных моделей, а значит, и огромный набор возможностей того, как именно они будут проявляться в эксперименте. Пока суперсимметрия остается точной симметрией, суперсимметричный мир элегантен и относительно прост. Если дело так и обстоит, то только при исключительно высоких энергиях. Но в нашем низкоэнергетическом мире — даже в момент протонных столкновений на LHC! В результате теория предсказывает большое число суперчастиц частиц-суперпартнеров обычных частиц , массы и взаимодействие которых могут быть почти произвольными. Теория не говорит, какие из частиц будут легче, какие тяжелее, сколько времени какие из них будут жить, какие у них будут наиболее вероятные процессы рождения и распада. Подчеркнем, что даже перечисление всех сколько-нибудь различающихся вариантов суперсимметричных теорий является совершенно неподъемной задачей. Например, в самой простой реализации идеи суперсимметрии — минимальном суперсимметричном расширении Стандартной модели MSSM — имеется 105 свободных параметров см. Даже если попытаться «просканировать» весь набор их возможных комбинаций в самом грубом приближении например, предположив, что каждый параметр может принимать либо нулевое, либо какое-то одно ненулевое значение , мы получим 2105 комбинаций. Ясно, что ни о каком перечислении всех моделей не может быть и речи. К счастью, подавляющая часть всех таких вариантов сильно расходится с опытными данными.
Но задача выбрать все те, которые согласуются, не проще. Выходом будет попытка сформулировать и тщательно проанализировать нескольких конкретных и очень ограниченных вариантов суперсимметричных теорий. Эти модели должны, с одной стороны, удерживать основные черты суперсимметрии и при этом не входить в явное противоречие с опытом, а с другой стороны, должны предоставить свободу лишь очень малому количеству параметров. Только в этом случае появляется разумный шанс просканировать всё пространство параметров, разбить его на области, различающиеся по физическим последствиям, провести подробные вычисления и сделать предсказания для эксперимента. Они характеризуются предположением об исключительной универсальности всех скалярных частиц и всех фермионов частиц до момента нарушения суперсимметрии и содержат всего 5 свободных параметров в довесок к параметрам Стандартной модели. Именно в рамках этих моделей делалось множество предсказаний для LHC, на основании которых затем разрабатывалась стратегия экспериментального поиска суперсимметрии.
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. Тем не менее Вселенной абсолютно все равно, насколько идеальными наши теории ни казались бы, говорит Линкольн. Многие физики говорят, что мы должны были найти доказательства суперсимметричных частиц уже в первый запуск БАК, поэтому теория вполне может быть не ахти. Но только потому, что мы не видели каких-либо суперсимметричных частиц, еще не означает, что их нет.
Этот факт можно использовать для вывода многих свойств спектра собственных значений. Это аналогично новому описанию SUSY, которое относилось к бозонам и фермионам. Можно представить «бозонный гамильтониан», собственными состояниями которого являются различные бозоны нашей теории. А SUSY-партнер этого гамильтониана будет «фермионным», а его собственными состояниями будут фермионы теории. У каждого бозона будет фермионный партнер с равной энергией. Суперсимметрия в физике конденсированного состояния[ править править код ] Концепции SUSY оказалась полезной для некоторых применений квазиклассических приближений. Кроме того, SUSY применяется к системам с усредненным беспорядком, как квантовым, так и неквантовым посредством статистической механики , уравнение Фоккера — Планка — это пример неквантовой теории. Использование метода суперсимметрии обеспечивает математически строгую альтернативу методу реплик , но только в невзаимодействующих системах, который пытается решить так называемую «проблему знаменателя» при усреднении по беспорядку. Подробнее о приложениях суперсимметрии в физике конденсированного состояния см.
Вопрос, кто прав, должен быть разрешен экспериментом. Физика — наука экспериментальная, поэтому, если темная материя существует, значит, мы должны ее найти. На данный момент в мире проводятся более десяти экспериментов по поиску темной материи, но результата пока нет. Но и вопрос техники, конечно, тоже. Это как с гравитационными волнами. Чувствительность улучшалась на протяжении многих лет, и когда был достигнут порог, результаты вдруг посыпались как из рога изобилия. До этого, в 1990-х, в Fermilab был открыт т-кварк. Главные задачи на ближайшее время для науки — придумать механизм, который бы объяснил наличие массы у нейтрино, а также включить гравитацию в «новую модель мира». Замечу также, что даже в обычной квантовой механике и физической оптике по-прежнему много актуальных не отвеченных вопросов. Можно ли делать интересную физику на маленьких машинах? Но в основном все простые эксперименты уже проведены, и, если говорить про физику частиц, получение большой энергии подразумевает большой масштаб. Зачем строить такие установки на территории своей страны, если можно изучать физику у соседей? Также им повезло, что они находятся в «правильном месте». ОИЯИ является международной организацией, и им проще организовать международную коллаборацию, без которой создание установки такого класса было бы гораздо труднее. Если же говорить о том, зачем строить установки такого класса у себя, то, во-первых, это вопрос престижа государства. Во-вторых, если хочешь пользоваться плодами мировой науки, необходимо развивать ее у себя. Ученые работают все вместе — если кто-то предложил интересную идею, об этом становится известно всем, но реализует ее лишь тот, у кого есть не только интеллект, но и средства. Наука похожа на спорт, и, если у тебя нет амбиций, трудно чего-то добиться. Развитие фундаментальной науки очень важно. Если вы хотите, чтобы в вашей стране были профессора мирового уровня — необходимо, чтобы они работали именно у вас, а не в CERN. Потому что, если в ваших вузах преподают лучшие профессора, у вас и студенты будут соответствующие. Например, мое поколение получило фантастически хорошее образование. Я скорее отрицательно отношусь к рейтинговой системе оценок университетов, потому что она ориентирована на «западный» стиль организации науки, в котором тоже есть проблемы. Мне кажется более привлекательным способ организации науки как в Новосибирском Академгородке в Советском Союзе, где университет и научные институты были единым целым. Насколько я понимаю, эта система действует до сих пор. Лучшее учебное заведение в районе Fermilab — Чикагский университет — в одном часе езды на автомобиле, и то если повезет с трафиком. Также до недавнего времени к нам на стажировку приезжали ребята из России. Для них это хороший опыт, и для нас польза. Как это получилось? По результатам экспериментов я защитил кандидатскую диссертацию. Мне повезло с учителями. Пожалуй, наибольшее влияние на мое воспитание как ученого оказал Василий Васильевич Пархомчук теперь академик. Когда я еще был студентом, я участвовал в экспериментах на НАП-М накопитель антипротонов , где Василий Васильевич был основной движущей силой. Это был один из лучших экспериментов ИЯФ. За изучение однопролетного электронного охлаждения мы получили премию Сибирского отделения Академии наук. В 1994 году я уехал, сначала в Данию, а через год в Америку. Однако отмечу, что при этом ни одна лаборатория, работающая в физике высоких энергий в России, не сохранила научный потенциал так, как это сделали в Новосибирске.
Новые методы в классической и квантовой теории поля с расширенной суперсимметрией
Знаменитая теория Суперсимметрии, объясняющая основы мироздания, не нашла подтверждения в ходе исследований в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Так же существуют и более классические теории, согласно которым бозон Хиггса является сложной частицей, основанной на новом типе симметрии, суперсимметрии. Причём из теории суперсимметрии следует существование новых частиц — аналогов уже известных элементарных частиц.
«Уродливая Вселенная: как поиски красоты заводят физиков в тупик»
Одна из задач, которую ученые пытаются решить с помощью БАК, – это получение экспериментального подтверждения теории Суперсимметрии. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. Сформулированная в 1973 году, теория Суперсимметрии предполагает наличие у каждой известной науке элементарной частицы двойника, отличающегося своими характеристиками. Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные.
Физики открыли пятую силу природы. Главное об эксперименте с мюоном g-2
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.
Теория струн остается одним из ведущих кандидатов на «теорию всего», которая объединит всю физику. Тем не менее проверить ее экспериментально чрезвычайно трудно. Тем не менее открытие суперсимметрии по крайней мере даст апологетам теории струн знать, что они идут в правильном направлении.
Как разлетаются бозоны Физики думают, что мы найдем доказательства суперсимметрии? Несмотря на десятилетия поисков, никто не нашел никаких доказательств суперсимметрии. Впрочем, великие теории открывались не за два-три года.
К примеру, почти полвека понадобилось на то, чтобы открыть бозон Хиггса с момента теоретического предположения его существования.
Гравитация настолько слабая сила, что даже игрушечный магнит может ее побороть. 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.
Загадка темной материи Если теория суперсимметрии не в состоянии объяснить существование темной материи, теоретикам придется искать другие объяснения несоответствий в Стандартной модели. Пока что физики, которые спешат предложить свои варианты новой физической теории, терпят неудачу. Однако сторонники теории суперсимметрии, например, профессор Джон Эллис из Королевского колледжа в Лондоне, возражают на это, указывая, что полученные результаты не противоречат этой теории.
Меня лично этот результат не очень расстраивает", - говорит ученый. В 2011 году на Большом адронном коллайдере была проведена серия экспериментов, в ходе которых проверялись фундаментальные выводы теории суперсимметрии, а также верность описания ею физического мира. Как заявила 27 августа 2011 года представитель ЦЕРН профессор Тара Шиарс, эксперименты не подтвердили основные положения теории. При этом Тара Шиарс уточнила, что не нашла подтверждения упрощенная версия теории суперсимметрии.
Однако полученные результаты не опровергают более сложный вариант теории. Паллаб Гош.
Но в микроскопическом мире это становится принципиально важно. Все характеристики частиц в квантовой механике измеряются в количестве постоянных Планка, и для простоты обозначаются числом.
Например, спин 1 означает «одна постоянная Планка». Договорившись, в каком порядке обозначать физические величины, состояние любой частицы можно описать набором квантовых чисел — это будет ее квантовое состояние. Именно в значении спина скрыта фундаментальная разница между фермионами и бозонами. Оказывается, что два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии, то есть обладать одинаковым набором квантовых чисел.
А у бозонов подобных предрассудков нет. И, согласно современным понятиям, из-за столь принципиальных отличий фермионы не могут превращаться в бозоны или обратно. Ты просто «супер» К началу семидесятых годов физикам уже было известно практически все о симметрии в законах физики. Оказалось, что каждое из взаимодействий — электромагнитное, слабое, сильное — обладает своей особой симметрией.
Помимо этого, все известные нам теории в целом также симметричны: происходящие явления не зависят, например, от ориентации в пространстве и от направления течения времени. Наличие симметрий приводит к законам сохранения — энергии, электрического заряда и других. Но в 1973 году физики Юлиус Весс и Бруно Зумино предложили принципиально новый тип симметрии — между фермионами и фотонами, что частицы одного вида могут превращаться в частицы другого. Это симметрия несколько другого уровня, которая по сути, позволяет излучению превращаться в вещество, и наоборот.
Поскольку эту идею нельзя было приписать к стандартным понятиям симметрии, она получила претенциозное название «суперсимметрия». Рука об руку Суперсимметрия постулирует, что каждой частице Стандартной модели соответствует ее «суперпартнер» - фермион, соответствующий бозону, или наоборот. Партнеры фермионов — сфермионы: скварк для кварка, сэлектрон для электрона и так далее. Партнер фотона был назван фотино, глюона — глюино, а для бозона Хиггса — хиггсино.
Адронный коллайдер подтвердил теорию суперсимметрии
Суперсимметрия Идея суперсимметрии Перед тем, как перейти к обсуждению суперсимметрии, рассмотрим понятие спина. Спин — это собственный момент импульса, присущий каждой частице. Он измеряется в единицах постоянной Планка и бывает целым или полуцелым. Спин является исключительно квантовомеханическим свойством, его нельзя представить с классической точки зрения. Наивная попытка трактовать элементарные частицы как маленькие «шарики», а спин — как их вращение, противоречит специальной теории относительности, так как точки на поверхности шариков должны в таком случае двигаться быстрее света. Суперсимметрия — это симметрия между частицами с целым и полуцелым спином. Идея суперсимметрии была предложена в теоретических работах Гольфанда и Лихтмана, Волкова и Акулова, а также Весса и Зумино около 40 лет назад. Вкратце она заключается в построении теорий, уравнения которых не изменялись бы при преобразовании полей с целым спином в поля с полуцелым спином и наоборот. С тех пор были написаны тысячи статей, суперсимметризации были подвергнуты все модели квантовой теории поля, был разработан новый математический аппарат, позволяющий строить суперсимметричные теории.
Стандартную модель фундаментальных взаимодействий, рассмотренную ранее, тоже можно сделать суперсимметричной. При этом решается ряд ее проблем. Рассмотрим некоторые из них. Мотивировка суперсимметрии Несмотря на огромные успехи Стандартной модели в объяснении экспериментальных данных, она обладает рядом теоретических трудностей, которые не позволяют Стандартной модели быть окончательной теорией, описывающей наш мир. Оказывается, часть этих трудностей может быть преодолена при суперсимметричном расширении Стандартной модели. Объединение констант связи Гипотеза великого объединения, которой придерживаются многие физики, говорит, что различные фундаментальные взаимодействия есть проявления одного, более общего, взаимодействия. Это взаимодействие должно проявляться при огромных энергиях по различным оценкам, энергия великого объединения в 1013 или даже в 1016 раз превосходит энергию, доступную современным ускорителям элементарных частиц. При понижении энергии от объединенного взаимодействия «отщепляется» сначала гравитационное взаимодействие, потом сильное, а в завершение электрослабое взаимодействие распадается на слабое и электромагнитное.
Нейтралино — одна из гипотетических частиц, предсказываемых теориями, включающими суперсимметрию. Так как суперпартнёры Z-бозона, фотона и бозона Хиггса соответственно: зино, фотино и хиггсино имеют одинаковые квантовые числа, они смешиваются, образуя собственные состояния массового оператора, называемые нейтралино. Свойства нейтралино зависят от того, какая из составляющих зино, фотино, хиггсино доминирует. Легчайшее нейтралино стабильно, если оно легче гравитино, а R-чётность сохраняется. Нейтралино участвует только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Если нейтралино является стабильной или долгоживущей частицей, то при рождении в ускорительных экспериментах оно будет ускользать от детекторов частиц; однако большие потери энергии и импульса в событии такого рода могут служить экспериментальным проявлением рождения этой частицы. Стабильные реликтовые нейтралино могут быть обнаружены по рассеянию на ядрах в неускорительных экспериментах по поиску частиц тёмной материи. Легчайшее нейтралино массой 30-5000 ГэВ является основным кандидатом в составляющие холодной тёмной материи из слабовзаимодействующих массивных частиц вимпов.
В Стандартной модели, однако, электрослабое и сильное взаимодействия объединены лишь формально. Они могут оказаться разными проявлениями общего взаимодействия, а могут и не оказаться. Тем не менее, анализ экспериментальных результатов дает некоторые подсказки к вопросу о существовании великого объединения. У каждого из фундаментальных взаимодействий есть величина, которая характеризует его интенсивность. Эта величина называется константой взаимодействия. Константа электромагнитных взаимдействий просто равна заряду электрона. В случае сильных и слабых взаимодействий ситуация несколько сложнее. Одно из интересных свойств квантовой теории поля состоит в том, что константа взаимодействия на самом деле не константа — она меняется при изменении характерных энергий процессов с участием элементарных частиц, причем теория может предсказать характер этой зависимости.
В частности, это означает, что при приближении к электрону на расстояния, гораздо меньшие размеров атома, начинает меняться его заряд! Причем такое изменение, обусловленное квантовыми эффектами, подтверждено экспериментальными данными, например, небольшим изменением уровней энергии электронов в атоме водорода лэмбовский сдвиг. Константы электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий измерены с достаточной точностью для того, чтобы можно было вычислить их изменение с ростом энергии. Результаты изображены на рисунке. В Стандартной модели графики слева нет таких энергий, где произошло бы объединение констант взаимодействий. А в минимальном суперсимметричном расширении Стандартной модели графики справа такая точка имеется. Это значит, что суперсимметрия в физике элементарных частиц обладает приятным свойством — в ее рамках возможно великое объединение! Объединение с гравитацией Стандартная модель не включает гравитационное взаимодействие.
Оно совершенно незаметно в ускорительных экспериментах из-за малых масс элементарных частиц. Однако при больших энергиях гравитация может стать существенной. Современная теория гравитационных взаимодействий — общая теория относительности — является классической теорией. Квантовое обобщение этой теории, без сомнения, стало бы самой общей физической теорией, если бы было построено. Помимо отсутствия каких бы то ни было экспериментальных данных, имеются серьезные теоретические препятствия в построении теории квантовой гравитации. В объединении гравитации с остальными взаимодействиями также есть трудности. Переносчик гравитационного взаимодействия, гравитон, должен иметь спин 2, в то время как спин переносчиков остальных взаимодействий фотон, W- и Z-бозоны, глюоны равен 1. Чтобы «перемешать» эти поля, нужно преобразование, меняющее спин.
А преобразование суперсимметрии как раз и есть такое преобразование. Таким образом, объединение с гравитацией в рамках суперсимметрии вполне естественно. Природа темной материи Вселенной Суперсимметрия может объяснить некоторые результаты исследований в космологии. Один из таких результатов заключается в том, что видимая светящаяся материя составляет не всю материю во Вселенной. Значительное количество энергии приходится на так называемую темную материю и темную энергию. Прямым указанием на существование темной материи являются зависимости скоростей звезд в спиральных галактиках от их расстояния до центра. Эту зависимость легко вычислить. Оказывается, экспериментальные данные существенно расходятся с предсказаниями теории.
Расхождение объясняют тем, что галактики находятся в «облаках» темной материи. Частицы темной материи взаимодействуют только гравитационно. Поэтому они группируются вокруг галактик правильнее было бы сказать, что обычная материя группируется вокруг сгустков темной материи и искажают распределение масс в галактике. В 1964 году физики Арно Пензиас и Роберт Вилсон, сотрудники Веll Laboratories, занимавшиеся обслуживанием радиоантенны слежения за американским космическим спутником «Эхо» в Холмделе Нью-Джерси , решили проверить некоторые свои научные гипотезы о радиоизлучении тех или иных объектов Вселенной. Антенна была самым чувствительным на тот момент детектором СВЧ-волн, а потому сначала ее надо было правильно настроить, чтобы исключить возможные помехи. Реликтовое излучение — равновесное тепловое излучение, заполняющее Вселенную.
Куда более чувствительный эксперимент, проведенный на суперколлайдере, этого влияния не обнаружил. Если учесть, что и на других детекторах LHC никакого следа суперсимметричных частиц до сих пор не встречалось, хотя по теории вероятностей это уже должно было произойти, это ставит крест на теории суперсимметрии в его сегодняшнем виде. Один из участников команды LHC профессор Джордан Нэш из Имперского Лондонского колледжа, комментируя результаты "Красотки LHC", заявил: "Это означает, что либо мы не полностью понимаем происходящее, либо суперчастицы неамножко другие, чем мы о них думаем, либо их нет вообще". Еще не все потеряно, есть усложненные теории суперсимметрии, по которым суперсимметричных частиц так просто не обнаружишь, но молодые физики уже начинают говорить о том, что пора придумывать что-нибудь еще, такое же красивое, но более реалистичное. Пора, как они говорят "менять старую шляпу".
Стандартную модель фундаментальных взаимодействий, рассмотренную ранее, тоже можно сделать суперсимметричной. При этом решается ряд ее проблем. Рассмотрим некоторые из них. Мотивировка суперсимметрии Несмотря на огромные успехи Стандартной модели в объяснении экспериментальных данных, она обладает рядом теоретических трудностей, которые не позволяют Стандартной модели быть окончательной теорией, описывающей наш мир. Оказывается, часть этих трудностей может быть преодолена при суперсимметричном расширении Стандартной модели. Объединение констант связи Гипотеза великого объединения, которой придерживаются многие физики, говорит, что различные фундаментальные взаимодействия есть проявления одного, более общего, взаимодействия. Это взаимодействие должно проявляться при огромных энергиях по различным оценкам, энергия великого объединения в 1013 или даже в 1016 раз превосходит энергию, доступную современным ускорителям элементарных частиц. При понижении энергии от объединенного взаимодействия «отщепляется» сначала гравитационное взаимодействие, потом сильное, а в завершение электрослабое взаимодействие распадается на слабое и электромагнитное. Нейтралино — одна из гипотетических частиц, предсказываемых теориями, включающими суперсимметрию. Так как суперпартнёры Z-бозона, фотона и бозона Хиггса соответственно: зино, фотино и хиггсино имеют одинаковые квантовые числа, они смешиваются, образуя собственные состояния массового оператора, называемые нейтралино. Свойства нейтралино зависят от того, какая из составляющих зино, фотино, хиггсино доминирует. Легчайшее нейтралино стабильно, если оно легче гравитино, а R-чётность сохраняется. Нейтралино участвует только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Если нейтралино является стабильной или долгоживущей частицей, то при рождении в ускорительных экспериментах оно будет ускользать от детекторов частиц; однако большие потери энергии и импульса в событии такого рода могут служить экспериментальным проявлением рождения этой частицы. Стабильные реликтовые нейтралино могут быть обнаружены по рассеянию на ядрах в неускорительных экспериментах по поиску частиц тёмной материи. Легчайшее нейтралино массой 30-5000 ГэВ является основным кандидатом в составляющие холодной тёмной материи из слабовзаимодействующих массивных частиц вимпов. В Стандартной модели, однако, электрослабое и сильное взаимодействия объединены лишь формально. Они могут оказаться разными проявлениями общего взаимодействия, а могут и не оказаться. Тем не менее, анализ экспериментальных результатов дает некоторые подсказки к вопросу о существовании великого объединения. У каждого из фундаментальных взаимодействий есть величина, которая характеризует его интенсивность. Эта величина называется константой взаимодействия. Константа электромагнитных взаимдействий просто равна заряду электрона. В случае сильных и слабых взаимодействий ситуация несколько сложнее. Одно из интересных свойств квантовой теории поля состоит в том, что константа взаимодействия на самом деле не константа — она меняется при изменении характерных энергий процессов с участием элементарных частиц, причем теория может предсказать характер этой зависимости. В частности, это означает, что при приближении к электрону на расстояния, гораздо меньшие размеров атома, начинает меняться его заряд! Причем такое изменение, обусловленное квантовыми эффектами, подтверждено экспериментальными данными, например, небольшим изменением уровней энергии электронов в атоме водорода лэмбовский сдвиг. Константы электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий измерены с достаточной точностью для того, чтобы можно было вычислить их изменение с ростом энергии. Результаты изображены на рисунке. В Стандартной модели графики слева нет таких энергий, где произошло бы объединение констант взаимодействий. А в минимальном суперсимметричном расширении Стандартной модели графики справа такая точка имеется. Это значит, что суперсимметрия в физике элементарных частиц обладает приятным свойством — в ее рамках возможно великое объединение! Объединение с гравитацией Стандартная модель не включает гравитационное взаимодействие. Оно совершенно незаметно в ускорительных экспериментах из-за малых масс элементарных частиц. Однако при больших энергиях гравитация может стать существенной. Современная теория гравитационных взаимодействий — общая теория относительности — является классической теорией. Квантовое обобщение этой теории, без сомнения, стало бы самой общей физической теорией, если бы было построено. Помимо отсутствия каких бы то ни было экспериментальных данных, имеются серьезные теоретические препятствия в построении теории квантовой гравитации. В объединении гравитации с остальными взаимодействиями также есть трудности. Переносчик гравитационного взаимодействия, гравитон, должен иметь спин 2, в то время как спин переносчиков остальных взаимодействий фотон, W- и Z-бозоны, глюоны равен 1. Чтобы «перемешать» эти поля, нужно преобразование, меняющее спин. А преобразование суперсимметрии как раз и есть такое преобразование. Таким образом, объединение с гравитацией в рамках суперсимметрии вполне естественно. Природа темной материи Вселенной Суперсимметрия может объяснить некоторые результаты исследований в космологии. Один из таких результатов заключается в том, что видимая светящаяся материя составляет не всю материю во Вселенной. Значительное количество энергии приходится на так называемую темную материю и темную энергию. Прямым указанием на существование темной материи являются зависимости скоростей звезд в спиральных галактиках от их расстояния до центра. Эту зависимость легко вычислить. Оказывается, экспериментальные данные существенно расходятся с предсказаниями теории. Расхождение объясняют тем, что галактики находятся в «облаках» темной материи. Частицы темной материи взаимодействуют только гравитационно. Поэтому они группируются вокруг галактик правильнее было бы сказать, что обычная материя группируется вокруг сгустков темной материи и искажают распределение масс в галактике. В 1964 году физики Арно Пензиас и Роберт Вилсон, сотрудники Веll Laboratories, занимавшиеся обслуживанием радиоантенны слежения за американским космическим спутником «Эхо» в Холмделе Нью-Джерси , решили проверить некоторые свои научные гипотезы о радиоизлучении тех или иных объектов Вселенной. Антенна была самым чувствительным на тот момент детектором СВЧ-волн, а потому сначала ее надо было правильно настроить, чтобы исключить возможные помехи. Реликтовое излучение — равновесное тепловое излучение, заполняющее Вселенную. Это излучение отделилось от вещества на ранних этапах расширения Вселенной, когда электроны объединились с протонами и образовали атомы водорода рекомбинация. Тогда Вселенная была в 1000 раз моложе, чем сейчас. Нынешняя температура реликтового излучения составляет примерно 3 K. В Стандартной модели нет подходящих частиц для объяснения темной материи. В то же время в некоторых суперсимметричных моделях есть прекрасный кандидат на роль холодной темной материи, а именно нейтралино — легчайшая суперсимметричная частица. Она стабильна, так что реликтовые нейтралино могли бы сохраниться во Вселенной со времен Большого взрыва. Что касается темной энергии, ее природа в рамках современных физических теорий совершенно непонятна. Это настоящий вызов физикам двадцать первого века. Темную энергию можно интерпретировать как собственную энергию вакуума, однако при этом возникают огромные несоответствия между теоретическими оценками и наблюдаемым значением плотности темной энергии.
Поэтому она пока не открыта экспериментально. Теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, тоже основана на уравнениях Янга — Миллса. Квантовая хромодинамика говорит, что многие элементарные частицы — мезоны и барионы например, протон — состоят из кварков. Однако изолированные кварки никогда не наблюдались это явление называется конфайнментом. Из-за сложности уравнений квантовой хромодинамики конфайнмент до сих пор не выведен из них напрямую. Кстати, решение уравнений Янга — Миллса и объяснение конфайнмента является одной из семи проблем тысячелетия, за которые институт Клэя назначил приз в миллион долларов. Квантовая хромодинамика также находит подтверждение в ускорительных экспериментах. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий включает в себя модель электрослабых взаимодействий и квантовую хромодинамику. Стандартная модель оказалась в состоянии объяснить практически все экспериментальные данные, полученные к настоящему времени в физике элементарных частиц. Суперсимметрия Идея суперсимметрии Перед тем, как перейти к обсуждению суперсимметрии, рассмотрим понятие спина. Спин — это собственный момент импульса, присущий каждой частице. Он измеряется в единицах постоянной Планка и бывает целым или полуцелым. Спин является исключительно квантовомеханическим свойством, его нельзя представить с классической точки зрения. Наивная попытка трактовать элементарные частицы как маленькие «шарики», а спин — как их вращение, противоречит специальной теории относительности, так как точки на поверхности шариков должны в таком случае двигаться быстрее света. Суперсимметрия — это симметрия между частицами с целым и полуцелым спином. Идея суперсимметрии была предложена в теоретических работах Гольфанда и Лихтмана, Волкова и Акулова, а также Весса и Зумино около 40 лет назад. Вкратце она заключается в построении теорий, уравнения которых не изменялись бы при преобразовании полей с целым спином в поля с полуцелым спином и наоборот. С тех пор были написаны тысячи статей, суперсимметризации были подвергнуты все модели квантовой теории поля, был разработан новый математический аппарат, позволяющий строить суперсимметричные теории. Стандартную модель фундаментальных взаимодействий, рассмотренную ранее, тоже можно сделать суперсимметричной. При этом решается ряд ее проблем. Рассмотрим некоторые из них. Мотивировка суперсимметрии Несмотря на огромные успехи Стандартной модели в объяснении экспериментальных данных, она обладает рядом теоретических трудностей, которые не позволяют Стандартной модели быть окончательной теорией, описывающей наш мир. Оказывается, часть этих трудностей может быть преодолена при суперсимметричном расширении Стандартной модели. Объединение констант связи Гипотеза великого объединения, которой придерживаются многие физики, говорит, что различные фундаментальные взаимодействия есть проявления одного, более общего, взаимодействия. Это взаимодействие должно проявляться при огромных энергиях по различным оценкам, энергия великого объединения в 1013 или даже в 1016 раз превосходит энергию, доступную современным ускорителям элементарных частиц. При понижении энергии от объединенного взаимодействия «отщепляется» сначала гравитационное взаимодействие, потом сильное, а в завершение электрослабое взаимодействие распадается на слабое и электромагнитное. Нейтралино — одна из гипотетических частиц, предсказываемых теориями, включающими суперсимметрию. Так как суперпартнёры Z-бозона, фотона и бозона Хиггса соответственно: зино, фотино и хиггсино имеют одинаковые квантовые числа, они смешиваются, образуя собственные состояния массового оператора, называемые нейтралино. Свойства нейтралино зависят от того, какая из составляющих зино, фотино, хиггсино доминирует. Легчайшее нейтралино стабильно, если оно легче гравитино, а R-чётность сохраняется. Нейтралино участвует только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Если нейтралино является стабильной или долгоживущей частицей, то при рождении в ускорительных экспериментах оно будет ускользать от детекторов частиц; однако большие потери энергии и импульса в событии такого рода могут служить экспериментальным проявлением рождения этой частицы. Стабильные реликтовые нейтралино могут быть обнаружены по рассеянию на ядрах в неускорительных экспериментах по поиску частиц тёмной материи. Легчайшее нейтралино массой 30-5000 ГэВ является основным кандидатом в составляющие холодной тёмной материи из слабовзаимодействующих массивных частиц вимпов. В Стандартной модели, однако, электрослабое и сильное взаимодействия объединены лишь формально. Они могут оказаться разными проявлениями общего взаимодействия, а могут и не оказаться. Тем не менее, анализ экспериментальных результатов дает некоторые подсказки к вопросу о существовании великого объединения. У каждого из фундаментальных взаимодействий есть величина, которая характеризует его интенсивность. Эта величина называется константой взаимодействия. Константа электромагнитных взаимдействий просто равна заряду электрона. В случае сильных и слабых взаимодействий ситуация несколько сложнее. Одно из интересных свойств квантовой теории поля состоит в том, что константа взаимодействия на самом деле не константа — она меняется при изменении характерных энергий процессов с участием элементарных частиц, причем теория может предсказать характер этой зависимости. В частности, это означает, что при приближении к электрону на расстояния, гораздо меньшие размеров атома, начинает меняться его заряд! Причем такое изменение, обусловленное квантовыми эффектами, подтверждено экспериментальными данными, например, небольшим изменением уровней энергии электронов в атоме водорода лэмбовский сдвиг. Константы электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий измерены с достаточной точностью для того, чтобы можно было вычислить их изменение с ростом энергии. Результаты изображены на рисунке. В Стандартной модели графики слева нет таких энергий, где произошло бы объединение констант взаимодействий. А в минимальном суперсимметричном расширении Стандартной модели графики справа такая точка имеется. Это значит, что суперсимметрия в физике элементарных частиц обладает приятным свойством — в ее рамках возможно великое объединение! Объединение с гравитацией Стандартная модель не включает гравитационное взаимодействие. Оно совершенно незаметно в ускорительных экспериментах из-за малых масс элементарных частиц. Однако при больших энергиях гравитация может стать существенной. 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.
Физики думают, что мы найдем доказательства суперсимметрии?
- Суперсимметрия для пешеходов
- Вы точно человек?
- Физики в Копенгагене подвели итоги 15-летнего пари о теории суперсимметрии – Новости науки
- Теория суперсимметрии
«Вселенная удваивается»
Теория суперсимметрии предполагает, что физические законы должны оставаться неизменными при перестановке бозонных и фермионных частиц. Это удар по суперсимметрии, который, однако, не сбрасывает теорию со счетов. суперсимметрия. Знаменитая теория Суперсимметрии, объясняющая основы мироздания, не нашла подтверждения в ходе исследований в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на. Напр., в теории С. происходит сокращение бесконечностей, которые присущи всем релятивистским теориям и представляют проблему, особенно в квантовой гравитации. Важные результаты в изучении низкоэнергетических следствий теории суперструн методами суперсимметричной теории поля получила в ходе цикла работ группа теоретиков из ОИЯИ.
Большой адронный коллайдер подорвал позиции теории суперсимметрии
Поскольку суперсимметрия является необходимым компонентом теории суперструн, любая обнаруженная суперсимметрия будет согласована с теорией суперструн. Знаменитая теория Суперсимметрии, объясняющая основы мироздания, не нашла подтверждения в ходе исследований в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на. Причём из теории суперсимметрии следует существование новых частиц — аналогов уже известных элементарных частиц.