Хиггсовский бозон распадается в этом столкновении, зарегистрированном детектором ATLAS 18 мая 2012 года.
(Изображение: © ATLAS)
Пол М. Саттер астрофизик в SUNY Stony Brook и Институте Флатирон, ведущий Спроси космонавта а также Космическое Радиои автор "Ваше место во Вселенной."Саттер внес эту статью Экспертные голоса Space.com: Op-Ed & Insights.
Симметрии в природе усиливают наше фундаментальное понимание космоса, от универсальности гравитации до объединения силы природы при высоких энергиях.
В 1970-х годах физики обнаружили потенциальную симметрию, которая объединила все виды частиц в нашей вселенной, от электронов до фотонов и всего, что между ними. Эта связь, известная как суперсимметрия, опирается на странное квантовое свойство вращения и потенциально содержит ключ к открытию нового понимания физики.
Симметрии силовые
Веками симметрии позволяли физикам находить основные связи и фундаментальные отношения во всей вселенной. когда Исаак Ньютон Впервые убедившись в том, что сила тяжести, которая тянет яблоко с дерева, - это та же самая сила, которая удерживает луну на орбите вокруг Солнца, он обнаружил симметрию: законы гравитации действительно универсальны. Это понимание позволило ему сделать огромный скачок в понимании того, как работает природа.
В течение 1800-х годов физики всего мира ломали голову над странными свойствами электричества, магнетизма и радиации. Что заставило электрический ток течь по проводу? Как вращающийся магнит мог протолкнуть тот же ток? Был ли свет волной или частицей? Десятилетия трудных размышлений завершились чистым математическим прорывом Джеймса Клерка Максвелла, который объединил все эти различные разделы исследования под одним набором простых уравнений: электромагнетизм.
Альберт Эйнштейн оставил свой след, взяв идеи Ньютона на шаг вперед. Взяв за правило, что все физические законы должны быть одинаковыми, независимо от вашей позиции или скорости, он показал специальная теория относительности; понятия времени и пространства должны были быть переписаны, чтобы сохранить эту симметрию природы. И добавление гравитации к этой смеси привело его к общая теория относительностиНаше современное понимание этой силы.
Даже наши законы сохранения - сохранение энергии, сохранение импульса и т. Д. - зависят от симметрии. Тот факт, что вы можете проводить эксперимент день за днем и получать один и тот же результат, показывает симметрию во времени, которая благодаря математическому гению Эмми Нетер приводит к закону разговора энергии. И если вы возьмете свой эксперимент и проведете его по комнате и все же получите тот же результат, вы просто обнаружите симметрию в пространстве и соответствующее сохранение импульса.
Вращающееся зеркало
В макроскопическом мире это как раз суммирует все симметрии, с которыми мы столкнулись в природе. Но субатомный мир - это другая история. Основные частицы наша вселенная имеют интересное свойство, известное как «спин». Впервые в экспериментах было обнаружено, что атомы стреляют через переменное магнитное поле, заставляя их пути отклоняться точно так же, как вращающийся электрически заряженный металлический шар.
Но субатомные частицы - это не вращающиеся, электрически заряженные металлические шарики; они просто действуют как они в определенных экспериментах. И в отличие от своих аналогов в обычном мире, субатомные частицы не могут иметь какого-либо количества вращения, которое они желают. Вместо этого каждый тип частиц получает свое уникальное количество вращения.
По разным неясным математическим причинам некоторые частицы, такие как электрон, имеют спин 1/2, в то время как другие частицы, такие как фотон, получают спин 1. Если вам интересно, как фотон может вести себя как вращающийся заряженный металлический шар, тогда не переживайте слишком сильно; Вы можете просто думать о «вращении» как о еще одном свойстве субатомных частиц, которое мы должны отслеживать, например, их массу и заряд. И некоторые частицы имеют больше этого свойства, а некоторые имеют меньше.
В общем, есть два больших «семейства» частиц: те, у которых спин с полуцелым (1/2, 3/2, 5/2 и т. Д.) И те, у которых целое число (0, 1, 2 и т. Д.) .) вращение. Полукровки называются «фермионами» и состоят из строительных блоков нашего мира: электронов, кварков, нейтрино и так далее. Толстости называются «бозонами» и являются носителями сил природы: фотонов, глюонов и всего остального.
На первый взгляд, эти два семейства частиц не могут быть разными.
Симфония духов
В 1970-х годах теоретики струн начал критически относиться к этому свойству вращения и начал задумываться, не может ли там быть симметрия природы. Идея быстро распространилась за пределы струнного сообщества и стала активной областью исследований в области физики элементарных частиц. Если это правда, эта «суперсимметрия» объединит эти два, казалось бы, разнородных семейства частиц. Но как бы выглядела эта суперсимметрия?
Основная суть в том, что в суперсимметрии каждый фермион будет иметь «суперпартнерную частицу» (или, если коротко, «частицу» - и имена будут только ухудшаться) в мире бозонов и наоборот, с точно такой же массой и заряд, но другое вращение.
Но если мы пойдем искать пряди, мы не найдем их. Например, частица электрона («селектрон») должна иметь такую же массу и заряд, что и электрон, но спин 1.
Эта частица не существует.
Так или иначе, эта симметрия должна быть нарушена в нашей вселенной, поднимая массы частиц за пределы диапазона наших коллайдеров частиц. Есть много разных способов достижения суперсимметрии, все они предсказывают разные массы для селектронов, стоп-кварков, снейтрино и всех остальных.
На сегодняшний день никаких доказательств суперсимметрии обнаружено не было, и эксперименты на Большой адронный коллайдер исключили простейшие суперсимметричные модели. Хотя это не совсем последний гвоздь в гробу, теоретики чешут головы, гадая, действительно ли суперсимметрия не встречается в природе, и о чем нам следует подумать, если мы ничего не найдем.
- Вселенная: Большой взрыв до 10 простых шагов
- «Супергравитационные» теоретики выигрывают приз за физику за 3 миллиона долларов
- Таинственные частицы, извергаемые из Антарктиды, бросают вызов физике
Узнайте больше, слушая эпизод «Стоит ли теория струн? (Часть 4: Нам нужен супергерой)» на подкасте Ask A Spaceman, доступном на Itunesи в Интернете по адресу http://www.askaspaceman.com, Благодаря Джону С., Захари Х., @edit_room, Мэтью Й., Кристоферу Л., Кризне В., Саяну П., Неха С., Захари Х., Джойсу С., Маурисио М., @shrenicshah, Паносу Т. ., Друв Р., Мария А., Тер Б., ОйСнови, Эван Т., Дэн М., Джон Т., @twblanchard, Ори, Кристофер М., @unplugged_wire, Джакомо С., Галли Ф. за вопросы, которые привели к этой части! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или подписавшись на Пола. @PaulMattSutter а также facebook.com/PaulMattSutter, Следуйте за нами на Twitter @Spacedotcom или facebook.
