13 ноември 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Как доказването на Суперсиметрията може да промени разбирането ни за Вселената

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 16 декември 2015 в 16:00331960
Частиците в стандартния модел съставят вътрешния кръг. Техните суперсиметрични партньори съставят външния пръстен. Снимка: businessinsider

Ако обявените резултати на ЦЕРН вчера (15 декември 2015) се окажат с достатъчна статистическа значимост, това ще е първото доказателство за революционната Теория на суперсиметрията.

Теорията на суперсиметрията е формулирана още през 70-те години на миналия век, но нямаше досега никакво опитно потвърждение. Тя дава много отговори на въпросите, които Стандартният модел на елементарните частици не може да реши.

Въпреки огромния успех на Стандартния модел в обяснението на експерименталните данни, той има редица теоретични затруднения, които не му позволяват да бъде окончателната теория, която описва нашия свят. Оказва се, че някои от тези трудности могат да бъдат преодолени от Теорията на суперсиметрията, която обединява всички познати елементарни частици. В научната литература тя е известна със съкращението SUSY.

В Стандартния модел има ясно противопоставяне между частиците на материята и частиците, които предават взаимодействията. Фундаменталните "тухлички" на материята - кварки и лептони (електрони, неутрино и др.) - са фермионите, частици с *спин 1/2 (полуцяло число спин), докато всички частици са преносители на силите (фотони, глуони, W- и Z-частици) са бозоните, частици с цяло число *спин

* Спинът представлява собственият момент на импулса, присъщ на всяка частица. Измерва се в единици от константата на Планк и може да бъде или цяло число (1, 2...)  или полуцяло (½, 1½, 2½ ...). Спинът е квантово свойство и не можем да си представим от класическата гледна точка. Aко се опитаме да го направим, стигаме до противоречие. Например, ако си представим елементарните частици като малки топчета, а спинът - като въртенето им, специалната теория на относителността ще бъде нарушена, защото точка на повърхността на топките ще трябва да се движи по-бързо от светлината. Електроните имат спин 1/2, а фотоните - 1.

Идеята на суперсиметрията

Фермионите и бозоните се държат по съвсем различен начин и като че ли няма как да се обединят заедно, но ето че една математическа теория на базата на идеята за суперсиметрията, симетрията между фермиони и бозони, може да го направи. Според нея фермионите и бозоните могат да бъдат разглеждани като част от едно семейство, наречено супермултиплет, притежаващо определена симетрия.  

Този супермултиплет описва частици, които се движат в суперпространството - разширение на обикновеното четиримерно пространство-време, към което се добавя съвсем необикновено измерение. Оказва се, че ако супермултиплетът се завърти в това суперпространство, бозоните ще се превърнат в фермиони и обратно. С други думи, бозоните и фермионите са само проекции в нашия обикновен свят на единен обект, подвизаващ се в суперпространството.

Суперсиметрията в реалния свят

Частиците според минималния супернесиметричен стандартен модел (MSSM) включва частиците от Стандартния модел, пет Хигс бозона, плюс пълен набор от суперпартньори на тези частици. В жълто и червено са показани фермионите (в жълто кварките, я червено лептоните), в синьо и зелено - бозоните.

Идеята за суперсиметрията може да се приложи към реалния свят. Минималното суперсиметрично разширение на Стандартния модел се нарича "минималния суперсиметричен стандартен модел" (MSSM).

В този случай една частица на веществото, например електрон, е "партньор" не с известните ни бозони, а с някаква нова частица, наречена "скаларен суперпартньор на електрона" или накратко "селектрон". Подобен суперпартньор има всеки фермион. Той се нарича както оригиналната частица, но с префикс "с", например смюон, скварк и т.н. и се означава със същия символ, но с тилда отгоре.

За материалните *фермионни полета - кваркови и лептонни - трябва да се въведат скаларни полета - скварки и слептони, по две полета за всяко фермионно поле. Всички суперпартньори на фермионите са бозони.

Частиците - преносители на взаимодействията, а също и хигсовите бозони също влизат в свои супермултиплети като техни суперпартньори са фермиони. Името на частиците се получава чрез добавяне на суфикса "-ино". 

За векторните бозонни полета - глуонни, фотонни, W- и Z-бозонни - са въведени полета са фермионни - съответно полета на глуино, фотино, вино и зино. Те също са по две. 

В MSSM трябва да въведат два Хигс дублета (в обикновения Стандартен модел е въведен един Хигс дублет, т.е. в MSSM се появяват 5 Хигсови степени на свобода - зареден бозона на Хигс (2 степени на свобода), лек и тежък скаларен Хигс бозон и един псевдоскаларен бозон на Хигс.

* Квантовата теория на полето заменя представите за частиците като точкови обекти с квантово поле, което се развива в пространството и времето, а всички елементарни частици са представени като флуктуации или кванти на съответните полета. Така, на мястото на класическите полета и частици, които са коренно различни обекти в класическата физика, идват единни физически обекти – квантовите полета в четиримерно пространство-време, по едно за всеки вид частици. Оказва се, че и самите частици могат да бъдат представени като поле, всяка от тях може да се счита като пакет вълни с определена ограничена дължина.

Таблица. Основни SUSY-партньори

Частица спин SUSY-партньор Спин
1 кварк 1/2 скварк 0
2 лептон 1/2 слептон 0
3 неутрино 1/2 снеутрино 0
4 фотон 1 фотино 1/2
5 глуон 1 глуино 1/2
6 W-бозон 1 вино 1/2
7 Z-бозон 1 зино 1/2
8 хигс 0 хигсино 1/2
9 гравитон 2 гравитино 3/2

Суперсиметричното нарушение на симетрията

Ако суперсиметрията строго изпълнява в нашия свят, масите на частиците и техните суперпартньори ще бъдат равни, но това не се наблюдава експериментално.

Суперсиметрията, ако изобщо се реализира в този свят, трябва да бъде нарушавана. Сред най-атрактивните за теоретиците е механизмът на спонтанно нарушаване на суперсиметрията. Основната идея се заключава в това, че цялото пространство се пронизва от специално хигсово поле, което взаимодейства с осталите полета и нарушава симетрията, макар че уравненията на теорията остават симетрични. Смущенията на хигсовото поле е проявяват в експериментите като новите частици - бозоните на Хигс.

Представете си гладка повърхност под формата на мексиканска шапка – сомбреро, а на върха ѝ – топче. Тази система има осева симетрия, но е неустойчива. и под влиянието на произволно малко смущение, топчето ще падне в полите на шапката.Това ново положение на топчето е устойчиво, тъй като то съответства на минимума потенциална енергия в гравитационното поле на Земята. Устойчивостта е заплатена със спонтанно нарушаване на симетрията.

Това означава, че една теория се формулира симетрично, но при решенията, които описват нашия свят, симетрията се нарушава.

Нарушението на суперсиметрията трябва също да направи суперчастиците масивни, но с маси от порядъка на стотици гигаелектронволта и по-големи.

Също така, без нарушаването на суперсиметрията няма да работи механизмът на Хигс на електрослабото нарушение на симетрията.

Използването на суперсиметричните модели в физиката на високите енергии, че е необходимо да се изисква суперсиметрията счупване. Този superpartners могат да придобият по-масово, отколкото може да се обясни с тяхната неспазения в момента.

Суперсиметрията може да реши проблемите на Стандартния модел

Едни и същи уравнения в тази теория важат и за полета с цял спин, и за полета с полуцял спин, тоест и за фермиони, и за бозони. От формулирането на теорията за суперсиметрията през 70-те години на 20-ти век досега са написани  хиляди статии, всички модели на квантовата теория на полето са подложени на суперсиметризиране, разработен е нов математически апарат специално за суперсиметричните теории.

Суперсиметрията може на пръв поглед да изглежда много изкуствено, с вкарана ненужно сложна математика.

Но тя може да реши много проблеми на Стандартния модел, които трудно могат да се решат по някакъв друг начин:

1. Суперсиметрията може да обясни защо на бозона на Хигс е толкова лек

Въпреки че Стандартният модел предсказа съществуването на бозона на Хигс, когато физиците го наблюдаваха за първи път в Големия адронен колайдер през 2012 г. , те установиха, че е много по-лек, отколкото някой е очаквал. Стандартният модел прогнозира бозонът на Хигс да е трилиони пъти по-тежък, отколкото бе наблюдаван по време на първото стартиране на Големия адронен колайдер.

Разпадането на Хигс бозона. Илюстрация: Wikimedia Commons 

Като частица, която дава маса на всички други частици, бозонът на Хигс трябва да бъде много тежък, защото си взаимодейства с толкова много частици. Суперсиметрията може да разреши този проблем.

Но ако съществуват допълнителните частици-партньори, те ще отменят приноса на своите партньори към масата на Хигс. Затова бозонът на Хигс, който бе наблюдаван е толккова лек - 125 GeV.

2. Суперсиметрията би могла да обясни тъмната материя

Симулация на тъмната материя във Вселената. Argonne National Laboratory

Тъмната материя е невидима, слабовзаимодействаща и затова досега неоткрита, но е поне 27% от цялата материя във Вселената.

Най-леките суперсиметрични частици, предсказани от Теорията на суперсиметрията може да са неуловимите частици тъмна материя, която физиците преследват в продължение на десетилетия. Суперсиметрията прогнозира частица с неутрален заряд, която почти не взаимодейства с други частици. Това описание е съвпада с описанието на една кандидат частица на тъмната материя.

Ако частиците на тъмната материя не бяха неутрални, те щяха да разсейват светлината и щяха да са видими. Ако взаимодействаха с нещо друго, щяхме да ги открием. Засега се регистрират само гравитационно.

3. Суперсиметрията би отворила път за универсална теория във физиката

Основна цел на физиката е непрекъснато да обединява нашето разбиране за Вселената в все по-прости модели.

Например сега разбираме, че гравитацията, която е накарала ябълката на Нютон да падне е една и съща с гравитацията, която управлява планетите и звездите. Сега знаем, че електричеството и магнетизма са само две прояви на една и също фундаментална сила - електромагнетизма.

Хипотезата на великото обединение, която се споделя от много физици, казва, че различните фундаментални взаимодействия са прояви на единно, по-общо взаимодействие. Това обединение трябва да се случи при огромни енергии, такива, които са съществували , според теоретиците по време на Големия взрив. С понижаване на енергията от обединеното взаимодействие се отделя първо гравитационно взаимодействие, след това силното, а накрая - електрослабото взаимодействие се разпада на слабо и електромагнитно.

В Стандартния модел обаче електрослабите и силните взаимодействия са обединени само формално.

В Стандартния модел (лявата графика) няма такава енергия, която да обедини на константите на електромагнитното, слабото и силното взаимодействия. В минималното суперсиметрично разширение на Стандартния модел (вдясно) има такава точка. Това означава, че в рамките на Теорията на суперсиметрията е възможно да Великото обединение.

Трябва да е вярна

Въпреки десетилетията на търсене, никой досега не бе открил никакви доказателства за суперсиметрията. Така обикновено се случва с големите теории във физиката. Например, почти половин век измина от времето, когато бе формулирана теорията на бозона на Хигс до откриването му.

Вчера на специална пресконференция на ЦЕРН колаборациите ATLAS и CMS на Големия адронен колайдер съобщиха, че независимо една от друга са наблюдавали пик в графиката на двуфотонни събития при енергии около 750 GeV. Това може да показва наличието на нова тежка частица. Въпреки това, статистистическата значимост на независимите наблюдения все още не е достигнала стандартните пет сигма.

Намеци за новата частица са открити в двуфотонните спектри - в тях количеството на разпадите е в зависимост от общата енергия на фотоните. Статистическата значимост на наблюдаваните пикове е малка. За да се заяви със сигурност откриването на нова частица, учените ще събират допълнителни статистически данни. Такива измервания позволиха за първи път да се открие бозона на Хигс.

Данни на колаборацията CMS. Изображение: скриншот от презентацията на CMS.

И макар, както отбелязват мнозина, да е рано да се говори за откриването на нов бозон на Хигс и за потвърждение на суперсиметрията, нека да завършим с думите на физика Джордж Редлинджър (George Redlinger), който работи в колаборацията ATLAS в Големия адронен колайдер:

"Това е толкова добра идея, че трябва да е вярна".

Източници и допълнителна литература:

Суперсимметрия

Что такое суперсимметрия?

Here's how proving supersymmetry could completely change how we understand the universe


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
10 ноември 2019 в 10:20
10 ноември 2019 в 10:200
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.