2012 m. Gegužės 18 d. ATLAS detektorius užfiksavo Higgso bozoną.
(Vaizdas: © ATLAS)
Paulius M. Sutteris yra astrofizikas SUNY Stony Brook ir Flatiron institute, šeimininkas Paklauskite erdvėlaivio ir Kosminis radijas, ir „Jūsų vieta Visatoje.„Sutteris prisidėjo prie šio straipsnio „Space.com“ ekspertų balsai: op-ed ir įžvalgos.
Gamtos simetrijos suteikia mums pagrindinį supratimą apie kosmosą, pradedant gravitacijos visuotinumu ir baigiant gamtos jėgos esant didelėms energijoms.
Aštuntajame dešimtmetyje fizikai atidengė potencialią simetriją, apjungiančią visas mūsų visatos daleles - nuo elektronų iki fotonų ir visko, kas yra tarp jų. Šis ryšys, žinomas kaip supersimetrija, remiasi keista kvantine verpimo savybe ir potencialiai turi raktą, kaip atrakinti naują fizikos supratimą.
Simetrija yra galia
Per amžius simetrija leido fizikams rasti pagrindinius ryšius ir pagrindinius ryšius visoje visatoje. Kada Izaokas Niutonas pirmą kartą spustelėjęs mintį, kad gravitacija, traukianti obuolį nuo medžio, yra ta pati jėga, kuri mėnulį palaiko orbitoje aplink saulę, jis atrado simetriją: gravitacijos dėsniai yra tikrai universalūs. Ši įžvalga leido jam padaryti didžiulį šuolį suprasti, kaip veikia gamta.
Per 1800-uosius metus viso pasaulio fizikai suabejojo keistomis elektros, magnetizmo ir radiacijos savybėmis. Dėl ko elektros srovė tekėjo žemyn laidu? Kaip besisukantis magnetas galėtų tą pačią srovę stumti aplink? Ar šviesa buvo banga ar dalelė? Dešimtmečius sunkiai apmąstęs kulminacija tapo švariu matematiniu Džeimso Clerko Maxwello proveržiu, kuris suvienijo visas šias skirtingas tyrimo sritis pagal vieną paprastų lygčių rinkinį: elektromagnetizmas.
Albertas Einšteinas Padarė savo žymę ir peržengdamas Niutono įžvalgas vienu žingsniu toliau. Jis parodo, kad visi fiziniai dėsniai turi būti vienodi, nepaisant jūsų padėties ar greičio ypatingas reliatyvumas; norint išsaugoti šią gamtos simetriją, reikėjo perrašyti laiko ir erdvės sąvokas. Ir pridėjęs gravitaciją prie to mišinio jis privedė prie bendrasis reliatyvumas, mūsų šiuolaikinis tos jėgos supratimas.
Net mūsų išsaugojimo įstatymai - energijos taupymas, impulsų išsaugojimas ir panašiai - priklauso nuo simetrijos. Tai, kad galite vykdyti eksperimentą diena iš dienos ir gauti tą patį rezultatą, parodo simetriją per laiką, kurią per Emmy Noetas veda prie energijos pokalbio dėsnio. Jei pasirinksite eksperimentą ir jį perkelsite po visą kambarį ir vis tiek gausite tą patį rezultatą, jūs tiesiog atidengsite erdvės simetriją ir atitinkamą impulsų išsaugojimą.
Verpimo veidrodis
Makroskopiniame pasaulyje tai tik apibendrina visas simetrijas, su kuriomis susidūrėme gamtoje. Tačiau subatominis pasaulis yra kita istorija. Pagrindinės mūsų visata turite įdomią savybę, vadinamą „nugara“. Pirmiausia jis buvo atrastas atliekant eksperimentus, kurių metu atomai šaudė per įvairų magnetinį lauką, todėl jų keliai paslinko lygiai taip pat, kaip sukasi besisukantis, elektra įkrautas metalinis rutulys.
Tačiau subatominės dalelės nesisuka, elektriškai įkrauti metaliniai rutuliai; jie tiesiog elgiasi kaip jie tam tikruose eksperimentuose. Skirtingai nei jų įprastinio pasaulio analogai, subatominės dalelės negali pasisukti tokiu noru. Vietoj to, kiekviena dalelė gauna savo unikalų verpimo kiekį.
Dėl įvairių neaiškių matematinių priežasčių kai kurių dalelių, tokių kaip elektronas, sukimasis yra ½, o kitų, pavyzdžiui, fotono, sukimasis yra 1. Jei jums įdomu, kaip fotonas galėtų elgtis kaip besisukantis metalo rutulys, tada ne per daug prakaituokite; jūs galite laisvai galvoti apie „sukimąsi“ kaip dar vieną subatominių dalelių savybę, kurią turime stebėti, pavyzdžiui, jų masę ir krūvį. Kai kurios dalelės turi daugiau šios savybės, o kai kurios turi mažiau.
Apskritai, yra dvi puikios dalelių „šeimos“: su puse sveiko skaičiaus (1/2, 3/2, 5/2 ir kt.), Sukasi, ir su sveiku skaičiumi (0, 1, 2 ir kt.) .) nugara. Pusvalandžiai yra vadinami „fermionais“ ir yra sudaryti iš mūsų pasaulio statybinių blokų: elektronų, kvarkų, neutrinų ir pan. Baltaodžiai vadinami „bosonais“ ir yra gamtos jėgų nešiotojai: fotonai, gluonai ir visa kita.
Iš pirmo žvilgsnio šios dvi dalelių šeimos negalėjo skirtis.
Spartų simfonija
Aštuntajame dešimtmetyje styginių teoretikų pradėjo kritiškai žiūrėti į šią nugaros savybę ir pradėjo domėtis, ar ten gali būti gamtos simetrija. Idėja greitai išplito už stygų bendruomenės ribų ir tapo aktyvia dalelių fizikos tyrimų sritimi. Jei tiesa, ši „supersimetrija“ suvienytų šias dvi tariamai skirtingas dalelių šeimas. Tačiau kaip atrodytų ši supersimetrija?
Svarbiausia yra tai, kad esant supersimetrijai, kiekvienas fermionas bosono pasaulyje turėtų „superpartnerio dalelę“ (arba trumpai „sparticle“ - ir pavadinimai tik blogės), ir atvirkščiai, su ta pačia mase. ir įkrauti, bet skirtingą sukimąsi.
Bet jei ieškosime dalelių, jų nerasime. Pvz., Elektrono dalelės („selektrono“) masė ir krūvis turėtų būti tokia pati kaip elektrono, o sukimasis lygus 1.
Ta dalelė neegzistuoja.
Taigi kažkodėl šią simetriją reikia laužyti mūsų visatoje, padidindami spartų mases už mūsų dalelių susidūrėjų ribų. Yra daugybė skirtingų būdų, kaip pasiekti supersimetriją. Visi prognozuoja skirtingas selektronų, stotelių kvarkų, sneutrinų ir visų kitų mases.
Iki šiol nebuvo rasta jokių supersimetrijos įrodymų ir eksperimentų Didelis hadronų susidūrėjas atmetė paprasčiausius supersimetrinius modelius. Nors tai dar nėra paskutinis karsto vinis, teoretikai kraipo galvas, galvodami, ar gamtoje tikrai nėra supersimetrijos, ir ką turėtume galvoti apie kitą, jei nieko negalime rasti.
- Visata: didelis sprogimas iki šiol per 10 paprastų žingsnių
- „Supergravitacijos“ teoretikai laimėjo 3 milijonų dolerių „Fizikos proveržio“ premiją
- Paslaptingos dalelės, sklindančios iš Antarktidos, niekina fiziką
Sužinokite daugiau klausydamiesi epizodo "Ar styginių teorija verta? (4 dalis. Mums reikia superherojaus)" podcast'e „Ask A Spaceman“, pasiekiamą „iTunes“, o internete - http://www.askaspaceman.com. Ačiū 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. už klausimus, kurie paskatino šį kūrinį! Užduokite savo klausimą „Twitter“, naudodami #AskASpaceman arba sekdami Paulių @PaulMattSutter ir facebook.com/PaulMattSutter. sekite mus Tviteryje @Spacedotcom arba Facebook.
