Bozon Higgsa rozpada się w tej kolizji zarejestrowanej przez detektor ATLAS 18 maja 2012 r.
(Zdjęcie: © ATLAS)
Paul M. Sutter jest astrofizykiem w SUNY Stony Brook i Flatiron Institute, gospodarz Zapytaj kosmonautę i Radio kosmicznei autor „Twoje miejsce we wszechświecie.„Sutter przyczynił się do napisania tego artykułu Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Symetrie w naturze zasilają nasze fundamentalne rozumienie kosmosu, od uniwersalności grawitacji po unifikację siły natury przy wysokich energiach.
W latach 70. fizycy odkryli potencjalną symetrię, która łączy wszystkie rodzaje cząstek w naszym wszechświecie, od elektronów po fotony i wszystko pomiędzy nimi. To połączenie, znane jako supersymetria, opiera się na dziwnej kwantowej właściwości spinu i potencjalnie ma klucz do odblokowania nowego zrozumienia fizyki.
Symetria to potęga
Przez stulecia symetria umożliwiała fizykom znalezienie podstawowych powiązań i podstawowych relacji we wszechświecie. Kiedy Isaac Newton najpierw kliknął na pomysł, że grawitacja, która wyciąga jabłko z drzewa, jest dokładnie tą samą siłą, która utrzymuje księżyc na orbicie wokół Słońca, odkrył symetrię: prawa grawitacji są naprawdę uniwersalne. Ten wgląd pozwolił mu dokonać ogromnego skoku w zrozumieniu, jak działa natura.
Przez cały XIX wiek fizycy na całym świecie zastanawiali się nad dziwnymi właściwościami elektryczności, magnetyzmu i promieniowania. Co spowodowało przepływ prądu elektrycznego przez drut? Jak wirujący magnes może popychać ten sam prąd dookoła? Czy światło było falą czy cząsteczką? Dziesięciolecia trudnych przemyśleń zakończyły się czystym matematycznym przełomem Jamesa Clerk Maxwella, który zjednoczył wszystkie te odrębne gałęzie badań za pomocą jednego zestawu prostych równań: elektromagnetyzm.
Albert Einstein odcisnął swoje piętno, posuwając wiedzę Newtona o krok dalej. Przyjmując jako maksymę, że wszystkie prawa fizyczne powinny być takie same, niezależnie od twojej pozycji i prędkości, ujawnił specjalna teoria względności; pojęcia czasu i przestrzeni musiały zostać przepisane, aby zachować tę symetrię natury. Doprowadziło go do tego połączenie grawitacji ogólna teoria względności, nasze nowoczesne rozumienie tej siły.
Nawet nasze prawa zachowania - zachowanie energii, zachowanie pędu i tak dalej - zależą od symetrii. Fakt, że możesz przeprowadzać eksperyment dzień po dniu i uzyskać ten sam wynik, ujawnia symetrię w czasie, która dzięki matematycznemu geniuszowi Emmy Noether prowadzi do prawa rozmowy energii. A jeśli weźmiesz eksperyment i przeniesiesz go przez pokój i nadal uzyskasz ten sam wynik, właśnie odkryłeś symetrię w przestrzeni i odpowiednią ochronę pędu.
Wirujące lustro
W makroskopowym świecie to prawie podsumowuje wszystkie symetrie, które napotkaliśmy w naturze. Ale świat subatomowy to inna historia. Podstawowe cząstki nasz wszechświat mieć interesującą właściwość zwaną „spinem”. Po raz pierwszy odkryto go w eksperymentach, które strzelały do atomów przez zmienne pole magnetyczne, powodując, że ich ścieżki odchylają się dokładnie w taki sam sposób, jak wirująca, naładowana elektrycznie metalowa kula.
Ale cząsteczki subatomowe nie wirują, elektrycznie naładowane metalowe kule; po prostu zachowują się jak oni w niektórych eksperymentach. I w przeciwieństwie do swoich analogów ze zwykłego świata, cząsteczki subatomowe nie mogą mieć pożądanego obrotu. Zamiast tego każdy rodzaj cząstki ma swoją unikalną ilość spinu.
Z różnych niejasnych powodów matematycznych niektóre cząstki, takie jak elektron, mają spin o wartości while, podczas gdy inne cząstki, takie jak foton, mają spin o wartości 1. Jeśli zastanawiasz się, w jaki sposób foton mógłby zachowywać się jak metalowa naładowana kulka, nie przejmuj się zbytnio; możesz swobodnie myśleć o „spinie” jako o kolejnej właściwości cząstek subatomowych, którą musimy śledzić, podobnie jak ich masa i ładunek. Niektóre cząstki mają więcej tej właściwości, a niektóre mniej.
Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwie wielkie „rodziny” cząstek: te o spinie o wartości całkowitej całkowitej (1/2, 3/2, 5/2 itd.) Oraz te o liczbie całkowitej całkowitej (0, 1, 2 itd.) .) obracać. Połówki nazywane są „fermionami” i składają się z budulców naszego świata: elektronów, kwarków, neutrin i tak dalej. Wholie nazywane są „bozonami” i są nosicielami sił natury: fotonów, gluonów i pozostałych.
Na pierwszy rzut oka te dwie rodziny cząstek nie mogą być inne.
Symfonia cząstek
W latach siedemdziesiątych, teoretycy strun zaczął krytycznie patrzeć na tę właściwość spinu i zaczął się zastanawiać, czy może tam być symetria natury. Pomysł szybko rozprzestrzenił się poza społeczność strun i stał się aktywnym obszarem badań w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych. Jeśli to prawda, ta „supersymetria” połączyłaby te dwie pozornie odmienne rodziny cząstek. Ale jak wyglądałaby ta supersymetria?
Podstawową zasadą jest to, że w supersymetrii każdy fermion miałby „cząsteczkę superpartnera” (w skrócie „sparticle” - a nazwy będą się tylko gorzej) w świecie bozonów i odwrotnie, z dokładnie taką samą masą i ładuj, ale inny obrót.
Ale jeśli zaczniemy szukać cząstek, nie znajdziemy żadnych. Na przykład, sparticle elektronu („selectron”) powinien mieć tę samą masę i ładunek co elektron, ale spin 1.
Ta cząsteczka nie istnieje.
W jakiś sposób ta symetria musi zostać przełamana w naszym wszechświecie, powodując wzrost masy cząstek poza zasięg naszych zderzaczy cząstek. Istnieje wiele różnych sposobów osiągnięcia supersymetrii, wszystkie przewidując różne masy dla selektronów, kwarków stopowych, sneutrin i wszystkich innych.
Do tej pory nie znaleziono dowodów na supersymetrię i eksperymenty w Wielki Zderzacz Hadronów wykluczyli najprostsze supersymetryczne modele. Chociaż nie jest to ostatni gwóźdź do trumny, teoretycy drapią się po głowie, zastanawiając się, czy supersymetria tak naprawdę nie znajduje się w naturze, i co powinniśmy myśleć dalej, jeśli niczego nie znajdziemy.
- Wszechświat: Wielki Wybuch w 10 prostych krokach
- Teoretycy „supergrawitacji” zdobywają 3 miliony dolarów nagrody za przełom w dziedzinie fizyki
- Tajemnicze cząstki wylatujące z Antarktydy przeciwstawiają się fizyce
Dowiedz się więcej, słuchając odcinka „Czy warto teorii strun? (Część 4: Potrzebujemy superbohatera)” na podcastie Ask A Spaceman, dostępnym na stronie iTunesoraz w Internecie pod adresem http://www.askaspaceman.com. Podziękowania dla Johna C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T. ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. za pytania, które doprowadziły do tego utworu! Zadaj własne pytanie na Twitterze za pomocą #AskASpaceman lub obserwując Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter. Śledź nas na Twitterze @Spacedotcom lub Facebook.
