Un boson Higgs se încadrează în această coliziune înregistrată de detectorul ATLAS pe 18 mai 2012.
(Imagine: © ATLAS)
Paul M. Sutter este astrofizician la SUNY Stony Brook și la Flatiron Institute, gazdă Întrebați un Spaceman și Radio spațialăși autorul „Locul tău în Univers."Sutter a contribuit cu acest articol Vocile experților Space.com: Op-Ed și Insights.
Simetriile din natură alimentează înțelegerea noastră fundamentală a cosmosului, de la universalitatea gravitației până la unificarea forțele naturii la energii mari.
În anii ’70, fizicienii au descoperit o simetrie potențială care a unit toate tipurile de particule din universul nostru, de la electroni până la fotoni și tot ceea ce se află între ele. Această conexiune, cunoscută sub numele de supersimetria, se bazează pe ciudata proprietate cuantică a spinului și deține potențial cheia pentru deblocarea unei noi înțelegeri a fizicii.
Simetriile sunt putere
Timp de secole, simetriile au permis fizicienilor să găsească conexiuni subiacente și relații fundamentale în tot universul. Cand Isaac Newton a dat mai întâi clic pe ideea că gravitația care trage un măr dintr-un copac este exact aceeași forță care ține luna pe orbită în jurul soarelui, el a descoperit o simetrie: legile gravitației sunt cu adevărat universale. Această perspectivă i-a permis să facă un salt extraordinar în a înțelege modul în care funcționează natura.
De-a lungul anilor 1800, fizicienii din întreaga lume s-au încurcat de proprietățile ciudate ale electricității, magnetismului și radiațiilor. Ce a determinat curentul electric să curgă pe un fir? Cum ar putea un magnet rotitor să împingă același curent în jur? Lumina a fost o undă sau o particulă? Decenii de dificultate dificilă au culminat cu o descoperire matematică curată de către James Clerk Maxwell, care a unit toate aceste ramuri distincte ale anchetei sub un singur set de ecuații simple: electromagnetism.
Albert Einstein și-a făcut amprenta și luând ideile lui Newton cu un pas mai departe. Luând ca maximă că toate legile fizice ar trebui să fie aceleași indiferent de poziția sau viteza dvs., a dezvăluit el relativitate specială; noțiunile de timp și spațiu trebuiau rescrise pentru a păstra această simetrie a naturii. Și adăugarea de gravitate la acel amestec l-a dus relativitate generală, înțelegerea noastră modernă a acestei forțe.
Chiar și legile noastre de conservare - conservarea energiei, conservarea impulsului și așa mai departe - depind de simetrie. Faptul că puteți rula un experiment zi de zi și obține același rezultat dezvăluie o simetrie în timp, care prin geniul matematic al Emmy Noether duce la legea conversației energiei. Și dacă vă ridicați experimentul și îl mutați în cameră și obțineți totuși același rezultat, ați descoperit doar o simetrie prin spațiu și conservarea corespunzătoare a impulsului.
O oglindă învârtită
În lumea macroscopică, asta rezumă la toate simetriile pe care le-am întâlnit în natură. Dar lumea subatomică este o poveste diferită. Particulele fundamentale ale universul nostru au o proprietate interesantă cunoscută sub numele de „spin”. A fost descoperită pentru prima dată în experimente care împușcau atomii printr-un câmp magnetic variat, făcând ca traseele lor să se devieze în același mod în care ar face o bilă de metal încărcată electric.
Dar particulele subatomice nu se învârt, bile de metal încărcate electric; pur și simplu acționează ca ei în anumite experimente. Și spre deosebire de analogii lor din lumea obișnuită, particulele subatomice nu pot avea nici o cantitate de rotație pe care și-o doresc. În schimb, fiecare tip de particule capătă propria cantitate unică de rotire.
Din diverse motive matematice obscure, unele particule precum electronul trebuie să aibă o rotire de ½, în timp ce alte particule precum fotonul obțin un spin de 1. Dacă vă întrebați cum un foton s-ar putea comporta ca o bilă de metal încărcată, atunci nu transpira prea mult; ești liber să te gândești doar la „rotire” ca încă o proprietate a particulelor subatomice de care trebuie să urmărim, cum ar fi masa și sarcina lor. Și unele particule au mai multe din această proprietate, iar altele au mai puține.
În general, există două mari "familii" de particule: cele cu jumătate întreagă (1/2, 3/2, 5/2, etc.) și cele cu întreg întreg (0, 1, 2, etc.) .) a învârti. Jumătățile sunt numite „fermioane” și sunt alcătuite din blocurile de construcție ale lumii noastre: electroni, quark, neutrino și așa mai departe. Wholii sunt numiți „bosoni” și sunt purtătorii forțelor naturii: fotoni, gluoni și restul.
La prima vedere, aceste două familii de particule nu ar putea fi niciodată diferite.
Simfonia sparticilor
În anii '70, teoreticieni de coarde a început să privească critic această proprietate a spinului și a început să se întrebe dacă ar putea exista acolo o simetrie a naturii. Ideea s-a extins rapid în afara comunității de coarde și a devenit o zonă activă de cercetare în fizica particulelor. Dacă este adevărat, această „supersimetrie” ar uni aceste două familii de particule aparent disparate. Dar cum ar arăta această supersimetrie?
Rețeaua de bază este că, în supersimetrie, fiecare fermion ar avea o „particule de superparten” (sau „sparticule” pe scurt - iar numele nu vor decât să se înrăutățească) în lumea bosonului și invers, cu aceeași masă exactă. și încărcați, dar o învârtire diferită.
Dar dacă mergem în căutarea sparticilor, nu găsim niciunul. De exemplu, sparticula electronului („selectronul”) ar trebui să aibă aceeași masă și sarcină ca electronul, dar un spin de 1.
Particula respectivă nu există.
Așadar, într-un fel, această simetrie trebuie ruptă în universul nostru, ridicând masele sparticulelor în afara gamei de colizori de particule. Există multe moduri diferite de realizare a supersimetriei, toate prezicând mase diferite pentru selectroni, quark-uri de stop, sneutrinos și toți ceilalți.
Până în prezent, nu au fost găsite dovezi pentru supersimetrie și experimente la Colizor mare de Hadron au exclus cele mai simple modele supersimetrice. Deși nu este chiar ultima unghie din sicriu, teoreticienii își zgârie capul, se întreabă dacă supersimetria nu se găsește cu adevărat în natură și ce ar trebui să ne gândim în continuare dacă nu putem găsi nimic.
- Universul: Big Bang până acum, în 10 pași simpli
- Teoreticienii „Supergravitate” câștigă 3 milioane de dolari Premiul pentru descoperirea fizicii
- Particulele misterioase care provin din Antarctica sfidează fizica
Aflați mai multe ascultând episodul "Merită teoria șirurilor? (Partea 4: Ceea ce avem nevoie este un supererou)" pe podcast-ul Ask A Spaceman, disponibil pe iTunes, și pe Web la http://www.askaspaceman.com. Mulțumiri lui John 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. pentru întrebările care au dus la această piesă! Puneți-vă propria întrebare pe Twitter folosind #AskASpaceman sau urmând Paul @PaulMattSutter și facebook.com/PaulMattSutter. Urmăriți-ne pe Twitter @Spacedotcom sau Facebook.
