Supersimetrija – apibrėžimas: superdalelės, tamsioji medžiaga ir M‑teorija

Sužinokite apie supersimetriją: superdaleles, tamsiąją medžiagą ir Viteno M‑teoriją — kaip ši teorija gali užpildyti Standartinio modelio spragas.

Supersimetrija - tai mokslinė teorija, teigianti, kad visatos pradžioje susidarius elementariosioms dalelėms (pvz., fotonams, elektronams ir kvarkams), taip pat buvo sukurtos ir atitinkamos teorinės "superdalelės". Jei ši teorija teisinga, tai leistų bent dvigubai padidinti visatoje esančių dalelių rūšis. Jei visata turi papildomų matmenų (Edvardo Viteno (Edward Witten) M-teorija numato iki 11 matmenų), tuomet taip pat atsirastų daugiau simetrijos būdų ir daugiau superdalelių rūšių.

Daugelis mokslininkų tikisi įrodyti supersimetriją, nes ji užpildo daugybę fizikos standartinio modelio spragų (įskaitant tamsiąją medžiagą) ir patvirtintų stygų teorijos idėjas. Tačiau kol kas atliekant eksperimentus Didžiajame hadronų priešpriešinių srautų greitintuve supersimetrijos įrodymų nerasta.

Supersimetriją sugalvojo Hironari Miyazawa (g. 1927 m.).

Ką reiškia supersimetrija praktiškai?

Supersimetrija (trump. SUSY) siūlo, kad kiekviena mums žinoma dalelė turi partnerę — superdalelę arba superpartnerį. Pagrindinis skirtumas tarp dalelės ir jos superpartnerio yra spinas: fermionai (pvz., elektronas, kvarkai), kurie turi pusinį spiną, susieti su bosoninėmis superpartnerėmis (su sveiku spinų skirtumu), o bosonai (pvz., fotonas, gluonas) turi fermioninius partnerius.

• Pavyzdžiai: elektronas → selectronas, kvarkas → squarkas, fotonas → fotino (photino), gluonas → gluinas (gluino), Higso bozonas → higgsinai (higgsinos).
• Simetrijos generatoriai: supersimetrijos transformacijos sujungia buferinus ir fermioninius lauko komponentus; matematiškai tai aprašoma išplėstinėmis (graded) Lie algebromis.

Kodėl fizikai juolab domisi supersimetrija?

Supersimetrija yra patraukli dėl kelių priežasčių:

• Hierarchijos problema: SUSY apsaugo Higso masę nuo didelių kvadratinių korekcijų, todėl natūraliau paaiškina, kodėl Higso masė yra daug mažesnė už Plancko mastą.
• Grandininis suvienodinimas: protonų atstumu energijose SUSY geriau suartina trijų stipriųjų sąveikų (stiprioji, silpnoji, elektromagnetinė) susijungimo konstantas.
• Tamsioji medžiaga: jeigu egzistuoja kvantinėje sistemoje saugoma kvadratinė simetrija vadinama R-parity, lengviausia supersimetriška dalelė (LSP) gali būti stabili ir natūralus tamsiosios medžiagos kandidatas — dažniausiai neutralinisino arba gravitino tipas.
• Stygų teorija ir M‑teorija: supersimetrija yra būtina daugeliui stygų teorijos variantų; Edvardas Vitenas (Edward Witten) M‑teorija jungiantis įvairias stygų versijas numato papildomas dimensijas ir dažnai susijusi su supersimetrijos realizacija.

Supersimetrijos laipsniai ir variantai

Supersimetrija gali būti įvairaus „kiekio“: minimaliai išplėsta versija dažnai žymima N=1 (vienas supersimetrijos generatorius keturiamalarų dimensijų atveju), o esant didesniam N — turime daugiau superįdominčių transformacijų. Taip pat egzistuoja vietinė supersimetrija, vadinama supergravitacija, kuri įtraukia gravitacinį lauko mediatorius (gravitiną).

Supersimetrijos sulaužymas: kodėl jos dar nematome?

Jei supersimetrija egzistuotų tiksliai, kiekviena dalelė ir jos superpartneris turėtų tą pačią masę — o to mes nematome. Todėl SUSY turi būti sulaužyta (angl. broken SUSY), o tai reiškia, kad superpartneriai įgyja didesnes mases nei jų standartinio modelio partneriai. Dėl to jie gali būti sunkūs ir kol kas nepasiekiami turimoms eksperimentinėms energijoms.

Eksperimentiniai paieškos ir dabartinė padėtis

Didžiausios ir jautriausios supersimetriškų dalelių paieškos vyksta Didžiajame hadronų greitintuve (LHC). Eksperimentai ieško charakteringų signalų, pvz., dalelių sprogimų su dideliu trūkstamo energijos kiekiu (missing transverse energy), kelių aukštenerginių hadronų ir leptonių kombinacijų, taip pat specifinių pažymėjimų (tagų) gluino ar stop kvarko paieškai.

Iki šiol tiesioginių ir aiškių SUSY signalų neaptikta. Eksperimentai nustatė ribas: daugiausiai supersimetriški partneriai turi būti bent kelių šimtų GeV arba TeV masto masės, priklausomai nuo modelio ir decay scenarijaus. Be tiesioginių paieškų, supersistematiški modeliai tikrinami ir per tamsiosios medžiagos tiesioginius aptikimus, netiesioginius signalus astropartikulinėje fizikoje bei per tikslumo matavimus (pvz., flavoro fizika, magnetiniai momentai).

Istorija trumpai ir svarbūs vardai

• Ideją apie supersimetrijos tipo ryšius tarp dalelių pirmą kartą pasiūlė Hironari Miyazawa (paminėtas tekste).
• Vėliau 1970–1974 m. supersimetrijos teorija buvo išplėtota keturių dimensijų kvantinės lauko teorijos kontekste — svarbų indėlį įnešė tokie mokslininkai kaip Yuri Golfand, Evgeny Likhtman, Julius Wess ir Bruno Zumino.
• Vėlesnės plėtros apėmė supergravitaciją ir SUSY integravimą į stygų teoriją bei galiausiai M‑teorijos studijas (pvz., Edward Witten indėlis į M‑teorijos suvokimą).

Kas toliau — perspektyvos

Supersimetrijos klausimas išlieka vienu iš pagrindinių dalykinių fizikų tikslų. Ateities priemonės, galinčios patikrinti platesnį SUSY modelių spektrą, apima LHC aukštesnės energijos ir ryškumo vykdymus, potencialius naujus ciklotronus (future colliders), pažangesnius tiesioginius tamsiosios medžiagos detektorius ir gilesnes astropartikulines observacijas. Net jei paprastas, "minimalus" SUSY modelis bus atmestas, idėja gali išlikti svarbi kaip matematinė ir fenomenologinė įrankių rinkinys sprendžiant visatos didelius klausimus.

Santrauka: Supersimetrija siūlo elegantišką sprendimą kelioms fundamentalioms problemoms — nuo Higso masei kylančių kvadratinių divergencijų iki tamsiosios medžiagos — tačiau praktinis patvirtinimas vis dar trūksta. Teorinis potencialas ir eksperimentiniai ribojimai toliau formuoja diskusijas ir tyrimus šioje aktyvioje srityje.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra supersimetrija?

K: Kiek rūšių dalelių sukurtų supersimetrija?

K: Kiek papildomų matmenų numato M-teorija?

K: Kokias fizikos standartinio modelio spragas užpildytų supersimetrija?

K: Koks yra supersimetrijos ir stygų teorijos ryšys?

K: Kas yra Didysis hadronų greitintuvas?

K: Ar iki šiol atliekant eksperimentus su Didžiuoju hadronų greitintuvu buvo rasta supersimetrijos įrodymų?

Paieška pagal raidę