Одна из задач, которую ученые пытаются решить с помощью БАК, – это получение экспериментального подтверждения теории Суперсимметрии. Суперсимметрия является одним из основных кандидатов на роль новой теории в физике элементарных частиц за рамками Стандартной модели.
СУПЕРСИММЕ́ТРИ́Я
Примечательно, что и сама премия стала на сей раз асимметричной. Йоичиро Намбу. Макото Кобаяши. Тошихидэ Маскава. Кофе — напиток «чётный», это слово не меняется при отражении в зеркале. Чай — «нечётный», при отражении слово изменилось до неузнаваемости. Конструкция, состоящая из слабо накачанного большого мяча с маленьким мячиком, который лежит в выемке наверху, симметрична относительно вертикальной оси, проходящей через центры мячей. Ещё один пример спонтанного нарушения симметрии. Бутылка с выпуклым дном и шариком в узком горлышке — система симметричная.
В статье М. Кобаяши и Т. Маскава «СР-нарушение в теории перенормировки слабого взаимодействия» была изложена разработанная ими теория. Распад В-мезона, в котором происходит спонтанное нарушение СР-симметрии. Около полувека тому назад, задолго до появления в обиходе физиков слова «кварк», Намбу совместно с итальянским физиком Джованни Йона-Лазиньо высказали гипотезу относительно глубинных причин, управляющих «устройством» и свойствами казавшегося довольно сумбурным «зоопарка» адронов, каковых в то время было уже известно несколько десятков. Опираясь на аналогию со сверхпроводимостью, которой Намбу занимался до этого, они построили весьма своеобразную модель сильного взаимодействия этих частиц. Её основными объектами были не хорошо известные нуклоны — протоны и нейтроны, а некие гипотетические, очень лёгкие частицы, которых в природе не оказалось роль, которую они играли в этой модели, впоследствии взяли на себя кварки ; мезонов же в теории изначально не было вообще. Но, пожалуй, самое главное, что вакуум перестал играть роль «стороннего наблюдателя» за распространением частиц, а превратился в активного участника процесса.
Математически это выглядело как появление новой симметрии — так называемой киральной, которая спонтанно нарушалась, а физически, как и в случае сверхпроводимости, было проявлением того общего положения, что система фермионов с притяжением между частицами не вполне устойчива. Именно эта неустойчивость привела к образованию конденсата — когерентного состояния сильновзаимодействующих частиц, минимизирующего энергию системы, подобно тому как это делают куперовские пары в сверхпроводниках см. Что такое спонтанное нарушение любой симметрии, поясним на примере. Всем известный буриданов осёл, стоя посередине между двумя стогами сена, долго не мог решить, к какому из них направиться. Пока дело обстоит таким образом, картина вполне симметрична. Но, в конечном счёте, он всё же должен пойти к одному из них — не умирать же ему с голоду. Выбор совершенно случаен спонтанен , но как только осёл сделал первое телодвижение, запах вожделенной еды, исходящий от ставшего чуть ближе стога, стал немного сильнее, и, стало быть, назад он уже не пойдёт. Таким образом, не остаётся никаких шансов на дальнейшее удержание симметрии.
Словарик к статье Адроны от греч. Киральная симметрия от греч. Это глобальная симметрия — она не зависит от координат пространства-времени.
Киральная симметрия скомбинирована из двух различных симметрий, одна из которых — симметрия взаимодействия адронов относительно преобразований в группе частиц с очень похожими свойствами в так называемом изотопическом пространстве , другая — так называемая внутренняя чётность, которая характеризует поведение волновой функции частицы при инверсии пространственных координат. Нарушение киральной симметрии приводит к появлению связанных фермионов, подобно куперовским парам в сверхпроводниках. Когерентность — согласованное протекание во времени и в пространстве нескольких колебательных или волновых процессов.
Мезоны от греч. Существует множество мезонов с самой разной массой, временем жизни, квантовыми характеристиками, заряженных и нейтральных. Все мезоны состоят из кварка и антикварка.
Фермионы — частицы, подчиняющиеся принципу Паули: два фермиона не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. К фермионам относятся нуклоны, нейтрино, кварки и другие частицы с полуцелым спином. Названы в честь Э.
Ферми, который одновременно с П. Дираком исследовал их свойства. Бозоны — частицы с нулевым или целым спином.
В отличие от фермионов в одном квантовом состоянии может находиться любое количество бозонов. Названы в честь Д. Бозе и А.
Эйнштейна, рассмотревших их свойства. Кварки — по современным представлениям, шесть «истинно элементарных», то есть бесструктурных частиц, из которых состоят адроны. Глюоны от англ.
В отличие от нейтральных фотонов — переносчиков электромагнитного взаимодействия — глюоны несут цветовой заряд и поэтому непосредственно взаимодействуют между собой. Барионы от греч. Барионы участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях — сильном, слабом, электромагнитном и гравитационном.
Барионный заряд — внутренняя характеристика частиц, равная 1 у барионов, —1 у антибарионов и 0 у всех остальных частиц.
Его коллега, итальянский физик Томмазо Дориго полагает, что есть основания для беспокойства. Суперсимметрия должна нарушаться, чтобы суперпартнеры стали тяжелее «обычных» частиц.
Причем это нарушение должно происходить при той же энергии, при которой нарушается электрослабая симметрия, в точке, когда переносчики слабого взаимодействия — W- и Z-бозоны — становятся массивными, а переносчики электромагнитного — фотоны — остаются безмассовыми. Считалось, что такое нарушение происходит при энергиях около 250 гигаэлектронвольт. Однако результаты БАКа показывают, что «точка разрыва» находится выше этого значения.
Теория допускает существование тяжелых суперсимметричных частиц, однако модели становятся слишком сложными. Кроме того, суперсимметричных теорий довольно много - и эти эксперименты затронули одну-две из них», - сказал он РИА «Новости».
Причина в том, что суперсимметричные частицы появляются или исчезают только парами. Поэтому на месте распада одной суперсимметричной частицы должна остаться другая суперсимметричная частица. Следовательно, самая легкая из таких частиц должна быть стабильной. Эта самая легкая частица, которой не на что распадаться, известна физикам как легчайшая суперсимметричная частица, или LSP. С экспериментальной точки зрения распад суперсимметричной частицы характерен тем, что даже после завершения всех процессов легчайшая из нейтральных суперсимметричных частиц должна остаться. Космологические ограничения говорят о том, что LSP не несет никаких зарядов и потому не будет взаимодействовать ни с одним из элементов детектора. Это означает, что в каждом случае возникновения и распада любой супер- симметричной частицы экспериментальные результаты покажут, что импульс и энергия не сохраняются, их часть куда? Частица LSP уйдет незамеченной и унесет свои импульс и энергию туда, где их невозможно будет зарегистрировать; сигнатурой LSP будет дефицит энергии.
Предположим, к примеру, что в результате столкновения возникает скварк — суперсимметричный партнер кварка. На какие частицы он распадется, зависит от его массы и от того, какие имеются более легкие частицы. Одним из возможных вариантов распада будет превращение скварка в обычный кварк и легчайшую суперсимметричную частицу рис. Напомню, что распад может происходить практически немедленно, и детектор зарегистрирует только его продукты. Если произошел распад скварка, детекторы зарегистрируют пролет кварка в трекере и в адронном калориметре, который измеряет энергию, отдаваемую частицами, участвующими в сильном взаимодействии, но установка определит также недостачу части импульса и энергии. Тот факт, что импульса не хватает, экспериментаторы определят точно так же, как и при рождении нейтрино. Они измерят весь поперечный по отношению к пучку импульс и обнаружат, что в сумме он не равен нулю. Одна из сложнейших задач, стоящих перед экспериментаторами, — достоверно и однозначно распознать недостачу импульса. В конце концов, все незарегистрированное будет казаться пропавшим! Если что?
Скварк может распадаться на кварк и легчайшую суперсимметричную частицу Разумеется, скварк никогда не возникает сам по себе, а только вместе с другим объектом, также участвующим в сильном взаимодействии к примеру, с другим скварком или антискварком , поэтому экспериментаторы зарегистрируют и измерят по крайней мере две струи пример см. Если при столкновении протонов возникли два скварка, при распаде они породят два кварка, которых зарегистрируют детекторы. Часть энергии и импульса уйдут из системы с двумя LSP, и само их отсутствие будет свидетельствовать о возникновении новых частиц. Как ни странно, долгие задержки с пуском БАКа сыграли и положительную роль: они дали экспериментаторам время как следует разобраться в своих детекторах. Их удалось заранее откалибровать, так что с первого дня работы коллайдера измерения будут чрезвычайно точными, а данные об упущенной энергии — надежными. Теоретики, с другой стороны, получили время обдумать альтернативные стратегии поиска для суперсимметричной и других моделей. К примеру, мне вместе с Дейвом Таккер—Смитом, ученым из Колледжа Уильямса, удалось найти отличный от вышеописанного — но родственный — способ поиска скварка. Наш метод опирается на измерение только импульса и энергии получающихся кварков; в нем не нужно точно измерять недостающий импульс а это очень непросто и не дает надежных результатов. Метод вызвал среди ученых БАКа заметное оживление; экспериментаторы CMS сразу же приняли его и не только показали, что метод работает, но и в течение всего нескольких месяцев обобщили и улучшили его. Теперь это часть стандартной стратегии поиска суперсимметрии; метод, предложенный нами так недавно, был использован в первом же сеансе поиска суперсимметрии на CMS.
Два скварка, одновременно возникшие в БАКе, распадутся на кварк и LSP каждый и оставят после себя сигнатуру в виде дефицита энергии Если суперсимметрия будет обнаружена, экспериментаторы на этом не остановятся. Они попытаются определить весь спектр суперсимметричных частиц, а теоретики будут работать над интерпретацией полученных результатов. Под идеей суперсимметрии и частиц, способных вызывать ее спонтанное нарушение, скрывается интереснейшая теория. Мы знаем, какие суперсимметричные частицы должны существовать, если суперсимметрия существенна для проблемы иерархии, но мы пока не знаем ни их точных масс, ни того, как эти массы возникают. То, что увидит БАК, очень сильно зависит от спектра масс суперсимметричных частиц, который, вероятно, отличается от спектра масс обычных частиц. Мы знаем, что частицы могут распадаться только на более легкие. Цепочка распадов — последовательность возможных распадов суперсимметричных частиц — определяется их массами, тем, какие из них легче, а какие тяжелее. Скорости различных процессов также зависят от массы частиц. Более тяжелые частицы в среднем распадаются быстрее.
Суперсимметрия
Напр., в теории С. происходит сокращение бесконечностей, которые присущи всем релятивистским теориям и представляют проблему, особенно в квантовой гравитации. Важное предсказание суперсимметрии – существование суперрасширения теории гравитации, супергравитации, и суперсимметричного партнера гравитона – гравитино, частицы со спином 3/2. Физики со всего мира на встрече в Копенгагене подвели итоги пари, касающегося теории суперсимметрии, пишет научно-популярное издание Quanta. В новостях можно иногда встретить утверждение, что отрицательные данные LHC ставят крест на идее суперсимметрии. Киральная симметрия (от греч. cheir — рука) — инвариантность уравнений квантовой теории поля относительно преобразований, перемешивающих состояния частиц как с различными.
Экзамены суперсимметричной модели вселенной 1978
Наука Данные, полученные на БАК, поставили под сомнение теорию суперсимметрии Обработка первых данных, полученных на Большом адронном коллайдере, поставила под угрозу теорию суперсимметрии — один из наиболее популярных вариантов развития главной физической теории, Стандарной модели. Теория суперсимметрии SUSY предполагает, что у всех известных элементарных частиц существуют «двойники» - суперсимметричные частицы, которые «родились» вместе с «обычными» частицами в момент Большого взрыва. Затем суперсимметричные частицы стали намного тяжелее обычного вещества и распались, а их «остатки» образовали «темную материю», из которой почти на четверть состоит Вселенная. Суперсимметрия дает способ объединить электрослабое и сильные взаимодействия и в конечном счете создать единую теорию поля. В экспериментах на коллайдере ученые рассчитывают увидеть рождение суперсимметричных частиц, которые пока не были обнаружены ни в одном эксперименте. Члены коллаборации CMS пытались обнаружить «суперпартнеров» кварков и глюонов. Если бы эти частицы рождались в столкновениях протонов на коллайдере, они распадались бы на «обычные» кварки и глюоны, а также легкие стабильные частицы нейтралино, из которых, согласно, теории может состоять «темная материя».
Теория суперсимметрии SUSY предполагает, что у всех известных элементарных частиц существуют «двойники» - суперсимметричные частицы, которые «родились» вместе с «обычными» частицами в момент Большого взрыва. Затем суперсимметричные частицы стали намного тяжелее обычного вещества и распались, а их «остатки» образовали «темную материю», из которой почти на четверть состоит Вселенная. Суперсимметрия дает способ объединить электрослабое и сильные взаимодействия и в конечном счете создать единую теорию поля. В экспериментах на коллайдере ученые рассчитывают увидеть рождение суперсимметричных частиц, которые пока не были обнаружены ни в одном эксперименте. Члены коллаборации CMS пытались обнаружить «суперпартнеров» кварков и глюонов.
Если бы эти частицы рождались в столкновениях протонов на коллайдере, они распадались бы на «обычные» кварки и глюоны, а также легкие стабильные частицы нейтралино, из которых, согласно, теории может состоять «темная материя». Кварки и глюоны, в свою очередь, создавали бы потоки джеты других частиц, а нейтралино, не взаимодействующие с обычной материей, «улетали» бы незамеченными.
Ученые с мировым именем поспорили, будут ли с его помощью открыты новые частицы, подтверждающие теорию суперсимметрии, согласно которой каждая частица должна иметь своего суперпартнера. В понедельник участники пари встретились в Международной академии имени Нильса Бора. Победителями были признаны скептики — ученые, не поверившие в обнаружение новых частиц.
Проводились разные эксперименты, но, к сожалению, зарегистрировать аксионы пока не удалось. Можно сказать, что если бы не было тёмной материи, то наш мир был бы совершенно иным. Например, если тёмную материю «отключить», то гравитационная масса всех объектов во Вселенной окажется намного меньше, поэтому звёзды и планеты просто разлетятся в разные стороны, а галактики исчезнут. Например, плотность тёмной материи значительно выше в центрах галактик, чем в среднем по Вселенной. В то же время наблюдаются галактики, где почти отсутствует тёмная материя или, наоборот, почти полностью состоящие из неё. При этом считается, что тёмная энергия распределена достаточно равномерно. Как они связаны и что это вообще такое? Тёмная энергия — это, по сути, величина, которая была введена Эйнштейном в своё время для объяснения стационарной модели Вселенной. Необходимость в этой переменной, казалось бы, отпала, когда Александр Фридман представил модель нестационарной Вселенной, и позже было экспериментально установлено, что Вселенная расширяется. Однако впоследствии выяснилось, что Вселенная не просто расширяется, а делает это с ускорением — это означает, что всё же существует некая дополнительная сила, о свойствах и природе которой мы пока ничего не знаем. Пока что есть только гипотезы, объясняющие, что это такое: например, что это некая энергия вакуума, отрицательное давление, которое и приводит к расширению Вселенной. Здесь можно вспомнить о существовании эффекта Казимира — экспериментально подтверждённого эффекта, где незаряженные тела притягиваются друг к другу в вакууме в результате энергетических колебаний физического вакуума. Хотя этот эффект не связан с тёмной энергией и объясняется в рамках современных научных теорий, он показывает, что вакуум не является абсолютной пустотой. Думаю, что, когда мы лучше узнаем природу тёмной материи, мы многое узнаем и о тёмной энергии. Может ли у этого открытия быть какое-то практическое применение — например, в космонавтике? Первые наблюдения за природными явлениями делали ещё в Древней Греции. Потом был период «Тёмных веков», когда развитие науки в Европе застопорилось, но затем появились такие учёные, как Галилей, Браге, Кеплер... На основе их работ свои открытия сделали Ньютон, Эйнштейн... Сейчас мы пожинаем плоды научных исследований, основы которых были заложены сотни и тысячи лет назад.
Гляжусь, как в зеркало: есть ли шансы у суперсимметрии?
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. Частицы, переносящие слабое взаимодействие, W и Z-бозоны, получают массу из хиггсовского поля, поля энергии, пропитывающего пространство. Но непонятно, почему энергия поля Хиггса, и соответственно массы W и Z-бозонов, такие небольшие.
Поскольку другие частицы связаны с полем Хиггса, их энергии должны влиться в него в момент квантовых флюктуаций. Это должно сильно поднять энергию хиггсовского поля, делая W и Z-бозоны более массивными и приводя к тому, что слабое взаимодействие ослабеет до уровня гравитации. Суперсимметрия решает проблему иерархии, предполагая наличие суперпартнёра-близнеца для каждой элементарной частицы. Согласно теории, у фермионов, из которых состоит материя, есть суперпартнёры-бозоны, переносящие взаимодействия, а у существующих бозонов есть суперпартнёры-фермионы.
Данная теория позволяла ответить на вопрос, почему наша Вселенная имеет значительно большую массу, нежели ее дает сложение всех наблюдаемых в ней космических объектов. Сейчас ученые ЦЕРН сообщили, что не смогли обнаружить признаков этих тяжелых двойников. В последние месяцы они проводили на БАК опыты с В-мезоном.
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! 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.
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. На сегодня эта гипотеза не была подтверждена экспериментально. Для того чтобы фактически проверить ее, существует несколько возможностей.
Суперсимметрия
Релятивистским обобщением согласующимся с идеями специальной теории относительности квантовой механики является квантовая теория поля. Квантовая теория поля В квантовополевых теориях частицы материи являются «квантами» возмущениями соответствующих полей. Взаимодействие между частицами переносится специальными полями. Предполагается, что частицы материи в процессе взаимодействия испускают и поглощают другие частицы — кванты поля-переносчика.
Первый успешный пример квантовой теории поля — квантовая электродинамика — был построен в работах Фейнмана, Швингера и Томонаги в середине двадцатого века, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1965 году. Квантовая электродинамика рассматривает взаимодействие между заряженными частицами например, электронами и позитронами , возникающее вследствие обмена фотонами — квантами электромагнитного поля. Вплоть до настоящего времени квантовая электродинамика остается самой точной физической теорией.
Симметрия в физике элементарных частиц Под симметрией физики понимают неизменность чего-либо при выполнении определенных преобразований. При этом большую роль играет симметрия законов, или уравнений. В физике симметрии играют двоякую роль.
Во-первых, каждому типу симметрии физической системы соответствует сохраняющаяся величина. Во-вторых, от новых физических теорий можно требовать выполнения различных симметрий. Чем больше таких требований — тем меньше произвол в построении теории.
Примером физической теории, обладающей симметрией, является обычная квантовая механика, оперирующая волновыми функциями. Волновая функция частицы — это комплексная функция, например, пространственных координат грубо говоря, комплексное число в каждой точке. Ее можно рассчитать из уравнения Шрёдингера.
Физический смысл имеет не сама волновая функция, а квадрат ее модуля, который показывает вероятность нахождения частицы в каком-либо месте. Если все волновые функции умножить на одно и то же комплексное число с модулем 1, никакие предсказания теории не изменятся. Действительно, модуль произведения комплексных чисел равен произведению модулей, и от такого домножения никакие вероятности не изменяются.
Это пример так называемой глобальной симметрии глобальной — потому, что волновая функция умножалась в разных точках на одно и то же число. Суть этой симметрии заключается в том, что теория не изменяется относительно некоторого класса преобразований в нашем случае эти преобразования — умножение на произвольное комплексное число с модулем, равным 1. Квантовая электродинамика обладает симметрией относительно преобразований, называемых калибровочными.
Эти преобразования заключаются в домножении поля электронов на комплексное число с модулем 1 правда, чтобы теория не изменялась, одновременно с преобразованием поля электронов нужно выполнить и некоторые другие преобразования электромагнитного поля. В отличие от рассмотренного выше случая квантовой механики, это число уже может быть в каждой точке различным локальная симметрия. Интересно отметить следующий момент.
Как было сказано выше, с каждой симметрией связана сохраняющаяся величина. В случае калибровочных преобразований квантовой электродинамики такой сохраняющейся величиной является обычный электрический заряд. В пятидесятых годах Янг и Миллс построили модель, уравнения которой не менялись под действием более сложных локальных калибровочных преобразований.
Сначала интерес был исключительно математическим. Однако потом на основе теории Янга — Миллса были созданы основные теории взаимодействия элементарных частиц — теория электрослабых взаимодействий и квантовая хромодинамика. Эти теории, обладающие калибровочной симметрией, получили экспериментальное подтверждение.
Стандартная модель фундаментальных взаимодействий В шестидесятых годах удалось объединить электромагнетизм и слабые взаимодействия. Салам, Глэшоу и Вайнберг построили теорию электрослабых взаимодействий. В 1979 году им была присуждена Нобелевская премия.
Новая теория предсказала существование новых частиц, так называемых W- и Z-бозонов. Они отвечают за «перенос» слабого взаимодействия. Эти бозоны были открыты на протонном суперсинхротроне в 1983 году.
Казалось бы, каким образом можно объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, если у первых радиус взаимодействия бесконечен действительно, мы видим свет — электромагнитное излучение — от удаленных галактик и других астрономических объектов , а у вторых он не превышает размеры атомного ядра? Оказывается, такая «несимметричность» связана с тем, что масса фотонов равна нулю, а масса W- и Z-бозонов очень большая, они примерно в 100 раз тяжелее протона. Нарушение так называемой электрослабой симметрии является важным свойством теории электрослабых взаимодействий этой симметрией обладают уравнения теории.
В результате нарушения W- и Z-бозоны и некоторые другие частицы например, электроны приобретают массы. В рамках модели Янга — Миллса калибровочные бозоны нельзя сделать массивными, не разрушив калибровочную симметрию. Для нарушения электрослабой симметрии был придуман механизм Хиггса.
Основная идея заключается в том, что все пространство пронизывает специальное хиггсовское поле, которое взаимодействует с остальными полями и нарушает симметрию, хотя уравнения теории остаются симметричными. Возмущения хиггсовского поля должны проявляться на эксперименте как новые частицы — хиггсовские бозоны. Бозон Хиггса — очень тяжелая частица, тяжелее W- и Z-бозонов.
Поэтому она пока не открыта экспериментально. Теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, тоже основана на уравнениях Янга — Миллса. Квантовая хромодинамика говорит, что многие элементарные частицы — мезоны и барионы например, протон — состоят из кварков.
Однако изолированные кварки никогда не наблюдались это явление называется конфайнментом. Из-за сложности уравнений квантовой хромодинамики конфайнмент до сих пор не выведен из них напрямую. Кстати, решение уравнений Янга — Миллса и объяснение конфайнмента является одной из семи проблем тысячелетия, за которые институт Клэя назначил приз в миллион долларов.
Квантовая хромодинамика также находит подтверждение в ускорительных экспериментах. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий включает в себя модель электрослабых взаимодействий и квантовую хромодинамику. Стандартная модель оказалась в состоянии объяснить практически все экспериментальные данные, полученные к настоящему времени в физике элементарных частиц.
Суперсимметрия Идея суперсимметрии Перед тем, как перейти к обсуждению суперсимметрии, рассмотрим понятие спина. Спин — это собственный момент импульса, присущий каждой частице. Он измеряется в единицах постоянной Планка и бывает целым или полуцелым.
Это должно сильно поднять энергию хиггсовского поля, делая W и Z-бозоны более массивными и приводя к тому, что слабое взаимодействие ослабеет до уровня гравитации. Суперсимметрия решает проблему иерархии, предполагая наличие суперпартнёра-близнеца для каждой элементарной частицы. Согласно теории, у фермионов, из которых состоит материя, есть суперпартнёры-бозоны, переносящие взаимодействия, а у существующих бозонов есть суперпартнёры-фермионы. Поскольку типы частиц и их суперпартнёров противоположны, вклады их энергии в хиггсовское поле обладают противоположными знаками — один его увеличивает, второй уменьшает. Вклады пар взаимоуничтожаются, и никаких катастроф не происходит.
А в качестве бонуса один из неоткрытых суперпартнёров может быть составной частью тёмной материи. Со временем, поскольку суперпартнёры не появились, суперсимметрия стала менее красивой. По популярным моделям, чтобы избежать обнаружения, частицам-суперпартнёрам приходиться быть сильно тяжелее своих двойников, и вместо симметрии появляется какое-то кривое зеркало. Физики выдвинули огромное количество идей о том, как симметрия может быть сломана, и породили тысячи версий суперсимметрии. Но нарушение суперсимметрии — это новая проблема.
Большинство специалистов по физике частиц в 1980-х считали, что суперпартнёры будут лишь немного тяжелее известных частиц. Но на Теватроне, ускорителе в Fermilab, ныне отстранённом от работы, ничего подобного не нашли. И в то время, как БАК тестирует всё более высокие энергии, не находя и следа суперсимметричных частиц, некоторые физики утверждают, что теория мертва.
Частицы-партнеры, предсказываемые суперсимметрией, могли бы поправить это. Если они существуют, эти дополнительные частицы отменяли бы вклад партнеров в массу Хиггса. Потому бозон Хиггса был бы легким, как мы его и наблюдали. Это естественное объяснение куда более желательно, чем внесение корректировок в существующую Стандартную модель. Когда вы вынуждены править теории, объясняющие то, что вы в действительности наблюдаете, это знак того, что «вы на самом деле не знаете, что делаете», говорит Линкольн, а эта теория, по всей видимости, неправильная или неполная. Самые легкие суперсимметричные частицы, предсказываемые в рамках теории, могут быть неуловимыми частицами темной материи, на которые охотятся физики десятилетиями. Суперсимметрия предсказывает, что у этой частицы будет нейтральный заряд и она едва ли будет взаимодействовать с любой другой частицей. Примерно такое описание физики ждут от частиц темной материи. Темная материя невидима, поэтому частицы, из которых она состоит, должны быть нейтральными, иначе будут рассеивать свет и станут видимыми. Эти частицы также ни с чем не взаимодействуют, иначе мы бы их уже обнаружили. Суперсимметрия указала бы в направлении универсальной теории в физике Главная цель физики — постоянно конденсировать наше понимание вселенной все более простыми терминами. К примеру, теперь мы понимаем, что гравитация, которая привела к падению яблока на голову Ньютона, — это та же гравитация, которая управляет планетами и звездами. И теперь мы знаем, что законы электричества и законы магнетизма — просто два закона, которые определяют единую фундаментальную силу электромагнетизма. Если суперсимметричные частицы включены в Стандартную модель, они бы тесно связали три из четырех фундаментальных сил, которые описываются Стандартной моделью: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие. Суперсимметрия будет означать, что все эти три силы будут обладать одной и той же силой на очень высоких энергетических уровнях. Многомерное пространство Калаби-Яу В частности, суперсимметрия может укрепить теорию струн. Суперсимметрия часто описывается как трамплин для теории струн — чтобы она стала возможной, необходима некоторая версия суперсимметрии.
Постоянный EDM в любой фундаментальной частице указывает на нарушение физики обращения времени и, следовательно, на нарушение CP-симметрии через теорему CPT. Такие эксперименты EDM также намного более масштабируемы, чем обычные ускорители частиц, и предлагают практическую альтернативу обнаружению физики, выходящей за рамки стандартной модели, поскольку эксперименты на ускорителях становятся все более дорогостоящими и сложными в обслуживании. Текущий лучший предел для EDM электрона уже достиг чувствительности, чтобы исключить так называемые «наивные» версии суперсимметричных расширений Стандартной модели. Текущий статус Отрицательные результаты экспериментов разочаровали многих физиков, которые считали суперсимметричные расширения Стандартной модели и других основанных на ней теорий наиболее многообещающими теориями для «новой» физики, выходящей за рамки Стандартной модели, и надеялись на признаки неожиданные результаты экспериментов. В частности, результат LHC кажется проблематичным для минимальной суперсимметричной стандартной модели, поскольку значение 125 ГэВ относительно велико для модели и может быть достигнуто только с помощью больших радиационных петлевых поправок от верхних скварков , которые многие теоретики считают «неестественными». В ответ на так называемый «кризис естественности» в минимальной суперсимметричной стандартной модели некоторые исследователи отказались от естественности и изначальной мотивации решать проблему иерархии естественным образом с помощью суперсимметрии, в то время как другие исследователи перешли к другим суперсимметричным моделям, таким как суперсимметрия расщепления. Третьи перешли к теории струн в результате кризиса естественности. Бывший активный сторонник Михаил Шифман дошел до того, что призвал теоретическое сообщество искать новые идеи и признать, что суперсимметрия - неудавшаяся теория в физике элементарных частиц. Однако некоторые исследователи предположили, что этот кризис «естественности» был преждевременным, потому что различные расчеты были слишком оптимистичными относительно пределов масс, которые позволили бы суперсимметричное расширение Стандартной модели в качестве решения. Общая суперсимметрия Суперсимметрия появляется во многих связанных контекстах теоретической физики. Возможно иметь несколько суперсимметрий, а также суперсимметричные дополнительные измерения. Расширенная суперсимметрия Может существовать более одного вида преобразования суперсимметрии. Теории с более чем одним преобразованием суперсимметрии известны как расширенные суперсимметричные теории. Чем больше суперсимметрии в теории, тем более ограничены содержание поля и взаимодействия. Обычно количество копий суперсимметрии является степенью 2 1, 2, 4, 8... В четырех измерениях спинор имеет четыре степени свободы, и поэтому минимальное количество генераторов суперсимметрии составляет четыре в четырех измерениях, а наличие восьми копий суперсимметрии означает, что существует 32 генератора суперсимметрии. Максимальное возможное количество генераторов суперсимметрии - 32.
«Обнаруженные частицы Хиггса подтверждают теорию суперсимметрии»
суперсимметрия. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. В чем заключается «кризис суперсимметрии», как «поделить» физику высоких энергий и для чего нужно строить у себя установки класса megascience, в интервью. Теория суперсимметрии основывается на стандартной модели физики, которая включает гравитацию и объясняет существование темной материи и темной энергии. В новостях можно иногда встретить утверждение, что отрицательные данные LHC ставят крест на идее суперсимметрии.
Суперсимметрия не подтверждается экспериментами, и физики ищут новые идеи
Теория струн, пожалуй, самая спорная большая идея во всей сегодняшней науке – Самые лучшие и интересные новости по теме: Атом, бозон Хиггса, квантовая физика на. Теории, включающие суперсимметрию, дают возможность решить несколько проблем, присущих Стандартной модели. Важное предсказание суперсимметрии – существование суперрасширения теории гравитации, супергравитации, и суперсимметричного партнера гравитона – гравитино, частицы со спином 3/2.