Нужно построить теорию, которая будет инвариантна относительно преобразований суперсимметрии, а также относительно.
Суперсимметрия
Суперсимметрия дает способ объединить электрослабое и сильные взаимодействия и в конечном счете создать единую теорию поля. Возвращаясь к эпизоду "Теории большого взрыва", предлагаемым объяснением наблюдаемого в настоящее время несоответствия является суперсимметрия. Когда суперсимметрия задана как местный симметрия, теория Эйнштейна общая теория относительности включается автоматически, и результат называется теорией супергравитация. Сформулированная в 1973 году, теория Суперсимметрии предполагает наличие у каждой известной науке элементарной частицы двойника, отличающегося своими характеристиками.
Откройте свой Мир!
В физике они так и называются — калибровочными бозонами. Оля и Яло Чтобы разобраться в отличиях фермионов и бозонов, необходимо ввести понятие спина. Если тело вращается, «количество» этого движения можно охарактеризовать: сколько массы обращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью оно происходит. В физике такая величина называется моментом импульса. Классический пример: сядьте на крутящееся офисное кресло и возьмите в руки две гантели или книжки потяжелее.
Раскрутитесь, вытяните руки в стороны, а затем, наоборот, согните их. Заметили разницу? Скорость вашего движения изменится — это происходит именно потому, что вы изменяете собственный момент импульса, распределяя массу по-другому. Когда речь идет об элементарных частицах, появляется величина, формально схожая с моментом импульса.
Она называется спином, и характеризует некоторый внутренний, присущий каждой частице момент импульса. Но эта величина, в отличие от стандартного определения, не связана с распределением масс или скоростью вращения, а является чисто квантовым эффектом. Спин может принимать любые положительные значения с шагом 0. Итак, мы приходим к главному различию между фермионами и бозонами: первые обладают полуцелым спином 0.
Не садись со мной Самое важное отличие квантовой механики от классической состоит в том, что все величины в квантовой механике могут изменяться только скачкообразно, на очень маленькую величину. Физики говорят, что они «квантуются», подразумевая под «квантом» какое-то конкретное число. Величина этого «скачка» очень мала, и определяется так называемой постоянной Планка, примерно равной 10-34. В нашем обычном мире мы просто не замечаем столь малого изменения, например, температуры.
Но в микроскопическом мире это становится принципиально важно.
Согласно положениям гипотезы суперсимметрии, за такой недостаток «ответственны» нейтралино — один из типов гипотетических суперсимметричных частиц. По итогам анализа части данных, собранных на детекторах CMS и ATLAS в течение 2010 года, ученые не обнаружили событий, которые соответствовали бы проявлениям гипотезы суперсимметрии. Однако исследователи отмечают, что пока рано полностью ее исключать — 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.
Когда развитие замедляется, то, как правило, начинаются поиски "злодеев", которые довели нас "до такой жизни". Нужно разделять теорию — феноменологию частиц и теорию струн, чье отношение к "реальной физике" пока не до конца определено. Есть огромное число моделей, которые никак с ней не связаны, и многие практические вопросы тоже ее не затрагивают и не зависят от нее. Ожидает ли нас такая же революция, сопоставимая по масштабам с созданием квантовой физики? В каком-то смысле современная ситуация и то, что происходило в конце 19 века, очень похожи друг на друга. В то время мы достигли пределов классической физики, но еще не начали замечать квантовых эффектов.
Всем казалось, что фундаментальная наука закончилась, и что остались лишь различные мелочи и прикладная физика. Но потом появился Планк и его открытия, и ситуация резко изменилась. Можно ли ожидать какого-то эпохального открытия в экспериментальной физике или, что не менее важно и возможно, в космологии? Не стоит забывать, что космос — это гигантская лаборатория по изучению физики частиц на самых высоких энергиях. Вполне возможно, что гравитационные волны помогут нам заглянуть в самые ранние эпохи жизни Вселенной, когда она еще не была прозрачной для света. Может быть, наши коллеги найдут там что-то, что перевернет не только космологию, но и выведет физику частиц на новый уровень. Как показывают примеры темной материи и темной энергии, проблемы макро- и микромира неразрывно связаны между собой. Есть, конечно, и более пессимистический сценарий — не исключено и то, что мы просто достигли пределов человеческого знания и способности познавать мир. Кто-то из великих физиков, кажется, Леонард Сасскинд, любит говорить, что коту можно объяснять квантовую механику до посинения, но он никогда не поймет, как решать уравнение Шредингера. Мне вот кажется, что котик просто отлично понимает, что его покормят колбаской и без всякого уравнения Шредингера.
Лично я, как простой советский человек, усердно конспектировавший "Материализм и эмпириокритицизм", верю в бесконечность познания и неисчерпаемость наших возможностей расширять пределы науки. К сожалению, этого не произошло и не понятно, произойдет ли в будущем. Вероятность этого, на мой взгляд, крайне мала, но экспериментаторы скрипят зубами, но продолжают эти поиски. Что касается гравитационных волн от астрофизических черных дыр, ситуация тут сложнее, так как эти волны больше касаются классической физики, нежели квантовой гравитации. Могут ли они дать нам что-то принципиально новое в смысле обобщений теории гравитации, я не знаю. Их изучение было бы интересным, однако тут мы столкнемся с теми же ограничениями и проблемами, которые накладываются теорией струн и отсутствием надежных предсказаний. Схема ускорительного комплекса проекта NICA К примеру, если попытаться оценить космологическую постоянную Эйнштейна из соображений размерности — она обратно пропорциональна квадрату планковской длины, то у нас получится значение, на 120 порядков превышающее то, что мы наблюдаем в реальности. Это, как часто говорят, худшее предсказание теоретической физики за всю ее историю. Почему это так, и почему космологическая постоянная так мала, но не равна нулю, мы не знаем, и это еще одна из демонстраций того, что теоретическая физика высоких энергий находится в кризисе.
Алексей Воробьев: В ходе эксперимента сталкиваются два протона больших энергий. В результате рождается много разных частиц. Среди них рождаются B-мезоны. И специфика высоких энергий такова, что их рождается достаточно много. Живут они очень мало —10-12 секунд, после тут же распадаются. М-мезон — это аналог электрона, но тяжелее его в 200 раз.
Новые методы в классической и квантовой теории поля с расширенной суперсимметрией
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. Может быть, есть что-то в том, как суперсимметрия проявляется, чего мы пока не понимаем. Может, нужен более мощный коллайдер, чтобы частицы-суперпартнеры проявили себя. Мы не узнаем этого, пока БАК не заработает. Если суперсимметрия была вне досягаемости по уровню энергии во время последнего запуска, данные этого года могут быть совершенно неописуемыми. Конечно, мы можем ничего и не найти.
Но это тоже пойдет нам на пользу.
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.
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.
Искажение возникает под влиянием некой скрытой массы объектов, то есть тёмной материи. Что касается природы тёмной материи, то условно можно выделить два её типа: барионная, состоящая из обычного вещества, но невидимая по каким-то причинам, и небарионная, состоящая из не обнаруженных пока частиц. Возможный кандидат на роль барионной тёмной материи — первичные чёрные дыры.
Такие чёрные дыры образовывались не за счёт гравитационного коллапса крупной звезды, как обычные чёрные дыры, а из сверхплотной материи в момент начального расширения Вселенной. Наши коллеги из Новосибирского государственного университета активно занимаются этим направлением. Учёные предполагают, что при столкновении подобных частиц может родиться частица тёмной материи. Но непосредственно зарегистрировать частицы неизвестного вещества вряд ли получится, так как они должны иметь крайне низкую вероятность регистрации системами детектора. С помощью... Однако при помощи детектора можно проанализировать все другие частицы, появившиеся при столкновении, и определить, что объём детектора покинула какая-то частица, которая, предположительно, может быть связана с частицами тёмной материи. Однако не факт, что частицы, рождённые в коллайдерах, — это те самые, которые отвечают за скрытую массу во Вселенной.
Существуют и методы регистрации тёмной материи с помощью регистрации излучения от массивных объектов. Учёным известно, что там, где наблюдаются большие скопления видимого вещества, тёмная материя тоже имеет более высокую плотность. Ожидается, что при достаточной плотности частицы тёмной материи могут столкнуться и аннигилировать, излучая при этом частицы обычной материи, которая уже может быть зарегистрирована. Однако этот метод не позволяет точно определить, что излучение исходит именно от тёмной материи. Согласно научным представлениям, Вселенная состоит из элементарных частиц двух типов: переносчиков взаимодействий — бозонов — и «кирпичиков» материи — фермионов. Существует также теория суперсимметрии — гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы. В данной теории, образно говоря, взаимодействие становится материей, а материя — взаимодействием.
Причём из теории суперсимметрии следует существование новых частиц — аналогов уже известных элементарных частиц. Одна из таких гипотетических частиц — нейтралино, которая может являться вимпом.
Где же эти частицы-суперпартнёры?
- Концепция развивается
- Экзамены суперсимметричной модели вселенной 1978 - Помощь в подготовке к экзаменам и поступлению
- Теория суперсимметрии под угрозой
- 🔸 Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной🔸
Большой адронный коллайдер нанес еще один удар теории суперсимметрии.
В суперсимметричной теории свойства каждого бозона сопоставлены свойствам его суперпартнера—фермиона, и наоборот. Поскольку у каждой частицы есть суперпартнер, и все взаимодействия между ними строго сбалансированы, теория допускает существование столь причудливой симметрии, которая заменяет фермионы бозонами, и наоборот. Чтобы понять загадочную на первый взгляд взаимную компенсацию виртуальных вкладов в массу хиггса, следует вспомнить, что суперсимметрия подбирает каждому бозону соответствующий партнер—фермион. В частности, бозону Хиггса в этой модели ставится в соответствие фермион Хиггса, или хиггсино. Если на массу бозона квантово—механические добавки оказывают существенное влияние, то масса фермиона не может быть много больше его классической массы, то есть массы без учета квантово—механических поправок.
Логика здесь заложена довольно тонкая, но большие поправки не возникают, потому что массы фермионов относятся как к правым, так и к левым частицам. Масса позволяет им превращаться друг в друга и обратно. Если классического массового члена нет и частицы не могут превращаться друг в друта до прибавления квантово—механических виртуальных эффектов, то они не смогут сделать этого и после учета всех квантово—механических вкладов. Если фермион с самого начала не имеет массы то есть не имеет классической массы , то его масса останется нулевой и после включения квантово—механических поправок.
К бозонам подобные аргументы не применимы. Бозон Хиггса, к примеру, имеет нулевой собственный момент импульса, так что ни в каком смысле мы не можем говорить о том, что он вращается влево или вправо. Но из соображений суперсимметрии массы бозонов соответствуют массам фермионов. Поэтому если масса хиггсино равна нулю или мала , точно такой же должна быть согласно теории суперсимметрии масса его партнера — бозона Хиггса — даже с учетом квантово—механических поправок.
Мы пока не знаем, верно ли это довольно изящное объяснение стабильности иерархии и компенсации поправок к массе хиггса. Но если суперсимметрия действительно решает проблему иерархии, то мы многое можем сказать о том, каких результатов следует ожидать на БАКе. В этом случае мы знаем, какие именно новые частицы должны существовать, потому что у каждой известной частицы должен быть суперсимметричный партнер. Мало того, мы можем оценить массы новых частиц.
Разумеется, если бы суперсимметрия в природе соблюдалась в точности, мы бы сразу знали и массы всех суперпартнеров. Они были бы попросту идентичны массам соответствующих известных частиц. Однако ни одну частицу—суперпартнер до сих пор обнаружить не удалось. Это свидетельствует о том, что суперсимметрия, даже если она реально существует в природе, не может быть строгой.
Так что суперсимметрия должна нарушаться в том смысле, что отношения, предсказанные теорией суперсимметрии, не могут быть строгими. Согласно теории нарушенной суперсимметрии у каждой частицы по—прежнему есть суперпартнер, но массы этих суперпартнеров отличаются от масс оригинальных частиц Стандартной модели. Однако если суперсимметрия нарушена слишком сильно, она не сможет разрешить проблему иерархии, потому что мир при сильно нарушенной симметрии выглядит в точности так же, как если бы этой симметрии вовсе не было. Суперсимметрия должна быть нарушена ровно настолько, чтобы мы до сих пор не могли наблюдать ее признаков, но чтобы масса Хиггса была тем не менее защищена от больших квантово—механических вкладов, которые сделали бы ее слишком большой.
Это говорит о том, что суперсимметричные частицы должны иметь массы масштаба слабого взаимодействия. Будь они легче — и мы бы их уже обнаружили; будь они тяжелее — и следовало бы ожидать более тяжелого хиггса. Мы не можем точно сказать, какими будут эти массы, ведь и масса Хиггса известна нам лишь очень приблизительно. Но мы знаем, что если эти массы окажутся слишком большими, то проблема иерархии никуда не денется.
Поэтому мы делаем вывод о том, что если суперсимметрия существует в природе и решает проблему иерархии, то должно существовать множество новых частиц с массами в диапазоне от нескольких сотен гигаэлектронвольт до нескольких тераэлектронвольт. Это именно тот диапазон, в котором БАК должен будет вести поиск. При энергии столкновения 14 ТэВ коллайдер должен выдавать эти частицы даже с учетом того, что кваркам и глюонам, порождающим при столкновении новые частицы, достается лишь небольшая часть исходной энергии протонов. Проще всего будет получить на БАКе суперсимметричные частицы, несущие сильный или цветовой заряд.
Эти частицы при столкновении протонов или, точнее, при столкновении кварков и глюонов в них могут рождаться в изобилии. Иными словами, при штатной работе БАКа могут возникать новые суперсимметричные частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Если это так, они оставят в детекторах очень заметные и характерные следы. Эти сигнатуры — экспериментальные свидетельства, оставляемые частицей — зависят от того, что происходит с частицей после возникновения.
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. 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.
В суперсимметрии, однако, естественным образом переносчики слабого взаимодействия оказываются именно тех масс, которые измеряются. Также среди суперпартнеров физикам очень нравится искать кандидатов на роль частиц темной материи. Претенденты — гипотетическая нейтральная частица нейтралино, предсказываемая суперсимметричными теориями, снейтрино, двойник нейтрино или гравитино, партнер гравитона. Ложка дегтя Проблем с физической точки зрения у суперсимметрии тоже хватает. Самая главная — огромное число свободных параметров, то есть значений различных констант, которые необходимо вводить искусственно, экспериментально они не измеряются.
У суперсимметрии их порядка ста, и возникает ощущение, что правильно их «подкрутив» можно объяснить абсолютно любое явление. Масса партнера бозона Хиггса, хиггсино, согласно суперсимметрии может быть либо равной нулю, либо порядка массы Планка — и это очень странно, ведь из общих принципов мы ожидаем, что они будут равными. Успех или полный провал? Появившись более сорока лет назад, элегантная, разумная и действенная, суперсимметрия воистину взбудоражила умы многих физиков. Однако, за это время найти хотя бы одного суперсимметричного партнера так и не удалось. Это говорит о том, что все-таки суперсимметрия не является окончательной моделью в физике, а снова «промежуточной». Массы суперпартнеров не совпадают, иначе мы бы уже давно обнаружили фотино и скварки: значит, во Вселенной существует еще более «супер» суперсимметрия. Статья по теме Следующий «век» цивилизации. Какой материал заменит кремний Но было бы неверно сказать, что научный мир окончательно отказался от данной идеи: многие существующие эксперименты по-прежнему ищут «частицы с приставкой "с".
На основе суперсимметрии была разработана и супергравитация — теория квантовой гравитации, надежда на включение в Стандартную модель четвертого типа взаимодействий. Помимо этого, для создании различных вариантов суперсимметрии был развит внушительный математический аппарат. Полученные навыки физики смогли применить в других областях, значительно расширив свой запас "инструментов" для расчетов. И кто знает, может через десятки лет суперсимметрия все же поможет прийти к Теории Всего?
Однако наблюдаемое нами описывается не самими уравнениями, а их решениями. И сам по себе факт, что уравнение обладает симметрией, совершенно не означает, что решения этого уравнения обладают той же симметрией.
Представьте себе волчок, крутящийся на столе рис. Окружающая его обстановка одинакова по всем направлениям, параллельным поверхности стола, значит, уравнения движения обладают вращательной симметрией относительно любой оси, перпендикулярной столешнице. Когда волчок закручивают, его движение сопровождается уменьшением момента импульса из-за трения. Поначалу волчок действительно подчиняется вращательной симметрии, но в конце концов он заваливается на сторону и останавливается. После этого его ось указывает уже в одном каком-то направлении. Мы говорим, что симметрия «нарушилась».
Подобное спонтанное нарушение симметрии — обычное дело в фундаментальных законах природы. Как иллюстрирует пример с волчком, будет ли система подчиняться симметрии — может зависеть от энергии системы. Волчок, пока обладает достаточной кинетической энергией, симметрии подчиняется. И только когда на трение растрачивается существенное количество энергии, симметрия нарушается. То же относится и к фундаментальным симметриям. Энергии, с которыми мы обычно имеем дело в повседневной жизни, определяются температурой окружающей нас среды.
С точки зрения физики элементарных частиц эти энергии ничтожны. При такой низкой энергии, соответствующей комнатной температуре, большинство фундаментальных симметрий нарушаются. При высоких же энергиях они способны восстанавливаться. Симметрия электрослабого взаимодействия, например, восстанавливается как раз при энергиях, достигающихся на Большом адронном коллайдере, о чем сигнализирует нам рождение бозона Хиггса. Это маленькие группы, как видно по небольшим числам в скобках. Но более крупные группы симметрии зачастую содержат в себе несколько групп поменьше, так что одна большая группа, чья симметрия нарушается при высоких энергиях, могла бы породить Стандартную модель при энергиях, которые мы исследуем.
Получается, теория Великого объединения — словно некий слон, а у нас сейчас, на низких энергиях, есть от него лишь ухо, хвост и нога. Целиком слон восстановится только при энергии объединения, оцениваемой примерно в 1016 ГэВ, что на 15 порядков превышает энергии Большого адронного коллайдера. Сначала для симметрии Великого объединения была предложена самая маленькая группа, содержащая группы симметрии Стандартной модели, — SU 5. Такие объединенные силы в общем случае допускают новые взаимодействия, позволяющие протонам распадаться. А если протоны нестабильны, значит, нестабильны и ядра атомов. В подобных теориях объединения время жизни протона может достигать 1031 лет, существенно превышая возраст Вселенной на текущий момент.
Однако в соответствии с квантовой механикой это попросту означает, что среднее время жизни протона таково. Раз протоны вообще могут распадаться, значит, это может происходить и быстро — просто быстрые распады будут событиями редкими. В каждой молекуле воды 10 протонов, а в каждом литре воды около 1025 молекул воды.
Крах теории суперсимметрии: большой адронный коллайдер ничего не нашел
Суперсимметрия предполагает удвоение (как минимум) числа известных элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров. С ней должна уйти на покой теория расширения пространства, из которой происходят теории тёмной материи и энергии. Суперсимметрия важна для теории струн, но наличие суперсимметрии в природе само по себе не означает, что последняя — правильная физическая теория.
Эксперимент на Большом адронном коллайдере опроверг современную теорию мироздания
Несмотря на кажущуюся катастрофу, изначальная теория суперсимметрии даёт нам простой и правдоподобный выход из ситуации. 28 апреля - 43672616965 - Медиаплатформа МирТесен. Жесткие требования суперсимметрии при отборе жизнеспособных теорий должны замениться на какой-то руководящий принцип, который, не будучи суперсимметрией, действует по. Теория суперсимметрии основывается на стандартной модели физики, которая включает гравитацию и объясняет существование темной материи и темной энергии. Теория струн (теория суперструн) и суперсимметрия претендуют на роль Единой Теории Поля.