Supersimetrija: kā tā darbojas un kāpēc to meklē fizika

Supersimetrija ir zinātniska teorija, kas paredz, ka katrai pazīstamai elementārdaļiņai pastāv atbilstoša "superdaļiņa" — fermiona pāris bosonam un otrādi. Ideja nozīmē, ka tad, kad Visuma sākumā radījās elementārdaļiņas (piemēram, fotoni, elektroni un kvarki), tika radītas arī atbilstošas teorētiskās superpartneru rindas. Ja supersimetrija ir patiesa, tas vismaz divkāršotu daļiņu veidus Visumā; ja, papildus tam, eksistē papildu dimensijas (piem., Edvarda Vitena M-teorija paredz līdz pat 11 dimensijām), tad būtu arī vairāk simetrijas veidu un vēl plašāka superdaļiņu spektra.

Kāda ir pamatideja un kā tas darbojas?

Supersimetrija ir lauka teorijas simetrija, kuras ģeneratori saista bosonus (daļiņas ar veselu spin skaitli) ar fermioniem (daļiņas ar pusveselu spin skaitli). Praktiski tas nozīmē, ka katram standartmodeļa fermionam būtu bosonisks partneris (piem., leptonam — sleptons, kvarkam — skvarks), un katram bosonam — fermionisks partneris (piem., fotonam — fotīns). Šīs saites teorētiski ļauj atcelt noteiktus kvantu lauka aprēķinos radušos "kvadrātiskos diverģentus", kas saistīti ar masu hierarhijas problēmu (kāpēc Higsa lauka masa ir tik zema salīdzinājumā ar Planka skalas enerģijām).

Kāpēc fizikas kopiena meklē supersimetriju?

• Hierarhijas problēmas risinājums: supersimetrija palīdz samazināt radiatīvās korekcijas, kas citādi padarītu Higsa masu ļoti jutīgu pret ļoti augstām enerģijām.
• Tumšās matērijas kandidāts: ja pastāv noteikta simetrija (piem., R-paritāte), vieglākais supersimetriskais partiklītis (LSP) ir stabils un var kalpot par tumšo matēriju — tipiska kandidāts ir neitralīno vai gravitīno.
• Ģaukdarbības saplūsme: supersimetrija labāk saskan ar gauge mijiedarbību savienošanas idejām — pie augstām enerģijām trīs spēcības konstantes var saplūst vienā vērtībā.
• Saistība ar stīgu teorijām: supersimetrija bieži nepieciešama stīgu teoriju konsistencei; tā var atbalstīt stīgu teorijas idejas un paplašinājumus.

Tipiskie supersimetriskie partiklīši un termini

Fizikā lieto īpašus nosaukumus superpartneriem: kvarku partneri — skvarki, leptonu partneri — sleptoni, gluona partneris — gluīns, fotona partneris — fotīns, savukārt higsla partneris — higgsīns. No šiem savstarpēji sajauktajiem stāvokļiem rodas neitralīni un čārdžiņi, kas bieži figurē eksperimentos un tumšās matērijas modeļos. Arī gravitona supersimetriskais partneris saucas gravitīns.

Supersimetrijas slēptie aspekti: simetrijas spontāna laušana

Ja supersimetrija eksistētu pilnīgi nescita (neizlauzta), mēs jau būtu novērojuši partnerdaļiņas ar tādām pašām masām kā standartmodeļa daļiņām. Tā kā to neesam redzējuši, supersimetrijai jābūt lauztai (broken) pie enerģijām, ko mēs jau izpētījuši, — tas nozīmē, ka superpartneriem ir daudz lielākas masas. Teorijas ievieš dažādus mehānismus (piem., "soft supersymmetry breaking"), kas saglabā labo īpašību atcelšanas mehānismiem, bet paceļ sparticle masas uz nepamanāmu līmeni.

Kur un kā to meklē eksperimentāli?

Supersimetrijas meklējumi notiek vairākos virzienos:

• Augstas enerģijas paātrinātāji: signāli meklēti Lielajā hadronu paātrinātājā (LHC) — tipiska zīme būtu smagas sparticle rašanās, kuras sabrūk un atstāj lielu nepazīstamās enerģijas (missing energy) un specifiskas daļiņu kombinācijas. Līdz šim LHC nav atradis skaidrus supersimetrijas pierādījumus, un daudzas modeļu versijas ir stingri ierobežotas.
• Tumšās matērijas detektori: tie meklē tiešu LSP mijiedarbību ar parasto matēriju vai netiešas pazīmes (piem., noannihilācijas produktiem kosmosā).
• Precizitātes mērījumi un astrofizika: precīzi standarta modeļa parametru mērījumi un kosmoloģiskie novērojumi ierobežo supersimetriskos modelus un to parametru telpu.

Eksperimentālais statuss un izaicinājumi

Daudzi zinātnieki cer pierādīt supersimetriju, jo tā var aizpildīt trūkumus fizikas standarta modelī (tostarp tumšo matēriju). Tomēr praktiskā pārbaude ir sarežģīta: ja supersimetrija ir lauza pie ļoti augstām enerģijām, sparticle masas var pārsniegt LHC vai citu pašlaik pieejamo ierīču spējas. Līdz šim LHC neveiksmes rezultātā daudzi vienkāršākie supersimetrijas modeļi (piem., minimālais supersimetriskais standartmodelis — MSSM noteiktās konfigurācijās) ir stipri ierobežoti, taču sarežģītāki vai smalkāk konfigurēti modeļi joprojām paliek dzīvi.

Īsa vēstures piezīme

Supersimetrijas pirmsākumi stiepjas pāri vairākiem autoru ieguldījumiem. Agrā ideja, kas saistīta ar simetriju starp hadronu klasiem, nāk no Hironari Miyazawa; plašāku kvadrātiskās supersimetrijas formu 1970. gados formulēja tādi pētnieki kā Jurijs Golfands un Evgeņijs Lihtrans (Golfand & Likhtman), Pierre Ramond, Neveu un Schwarz, kā arī Julius Wess un Bruno Zumino, kuri attīstīja laukteorētiskos modeļus (Wess–Zumino modelis).

Ko sagaidīt nākotnē?

Supersimetrijas ideja joprojām ir spēcīgs teorētisks rīks, kas piedāvā risinājumus vairākām neatbildētām jautājumu fizikā. Nākamie LHC pacēlumi, jauni paātrinātāji, uzlabotas tumšās matērijas direktās meklēšanas ierīces un astrofizikas novērojumi turpinās izmeklēt supersimetriskos scenārijus. Ja tiks atrasts spēcīgs eksperimentāls pierādījums par superpartneriem vai to sekām, tas radītu fundamentālu pagrieziena punktu mūsu izpratnē par Visumu; ja pierādījumu neatradīs, tas palīdzēs sašaurināt teoriju telpu un virzīt fizikas kopienu uz jauniem modeļiem.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir supersimetrija?

J: Cik daudz daļiņu veidu varētu radīt supersimetrija?

Jautājums: Cik daudz papildu dimensiju paredz M-teorija?

J: Kādas nepilnības fizikas standarta modelī aizpildītu supersimetrija?

J: Kāda ir supersimetrijas un stīgu teorijas saistība?

J: Kas ir Lielais hadronu paātrinātājs?

Vai līdz šim eksperimentos ar Lielo hadronu paātrinātāju ir atrasti supersimetrijas pierādījumi?

Meklēt pēc burta