Higgsov bozon propada u ovom sudaru koji je zabilježio ATLAS detektor 18. svibnja 2012.
(Slika: © ATLAS)
Paul M. Sutter je astrofizičar iz SUNY Stony Brook i Instituta Flatiron, domaćin Pitajte svemira i Svemirski radioi autor knjige "Vaše mjesto u svemiru."Sutter je pridonio ovom članku Glasovi stručnjaka Space.com-a: Op-Ed & Insights.
Simetrije u prirodi upravljaju našim temeljnim razumijevanjem kosmosa, od univerzalnosti gravitacije do objedinjavanja sile prirode pri visokim energijama.
U 1970-ima fizičari su otkrili potencijalnu simetriju koja je objedinjavala sve vrste čestica u našem svemiru, od elektrona do fotona i svega što je između njih. Ova veza, poznata kao supersimetrija, oslanja se na čudno kvantno svojstvo spina i potencijalno je ključ za otključavanje novog razumijevanja fizike.
Simetrije su moć
Stoljećima su simetrije dopuštale fizičarima da pronađu temeljne veze i temeljne odnose u svemiru. Kada Isaac Newton prvi kliknuo na ideju da je gravitacija koja izvlači jabuku sa stabla potpuno ista sila koja održava mjesec u orbiti oko sunca, otkrio je simetriju: zakoni gravitacije su zaista univerzalni. Ovaj uvid omogućio mu je ogroman skok u razumijevanju načina rada prirode.
Tijekom 1800-ih fizičari širom svijeta zbunjeni su čudnim svojstvima električne energije, magnetizma i zračenja. Što je uzrokovalo da električna struja struji niz žicu? Kako bi magnet koji se okreće mogao gurati tu istu struju? Je li svjetlost bio val ili čestica? Desetljeća teškog razmišljanja kulminirala su čistim matematičkim probojem Jamesa Clerka Maxwella, koji je objedinio sve ove različite grane istraživanja pod jedan skup jednostavnih jednadžbi: elektromagnetizam.
Albert Einstein također je dao svoj znak tako što je Newtonov uvid napravio korak dalje. Uzimajući kao maksimum da su svi fizički zakoni trebali biti isti bez obzira na vaš položaj ili brzinu, otkrio je posebna relativnost; pojmovi vremena i prostora morali su se preraditi da bi se sačuvala ta simetrija prirode. A dodavanje gravitacije toj mješavini dovelo ga je i do toga opća relativnost, naše moderno razumijevanje te sile.
Čak i naši zakoni očuvanja - očuvanje energije, očuvanje zamaha i tako dalje - ovise o simetriji. Činjenica da možete izvoditi eksperiment iz dana u dan i dobiti isti rezultat otkriva simetriju vremena, koja kroz matematičku genijalnost Emmy Noether dovodi do zakona razgovora o energiji. A ako pokupite eksperiment i premjestite ga po sobi i još uvijek dobijete isti rezultat, jednostavno ste otkrili simetriju kroz prostor i odgovarajuću očuvanje zamaha.
Ogledalo koje se okreće
U makroskopskom svijetu to sažima sve simetrije s kojima smo se susreli u prirodi. Ali o subatomskom svijetu je drugačija priča. Temeljne čestice naš svemir imaju zanimljivo svojstvo poznato kao "okretanje". Prvo je otkriveno u eksperimentima koji su pucali na atome kroz raznoliko magnetsko polje, uzrokujući da se njihovi putevi odbijaju na točno isti način na koji bi se vrtjela, električno nabijena metalna kugla.
Ali subatomske čestice se ne okreću, električno nabijene metalne kuglice; samo se ponašaju poput njih u određenim eksperimentima. Za razliku od svojih analoga iz redovnog svijeta, subatomske čestice ne mogu imati rotaciju kakvu žele. Umjesto toga, svaka vrsta čestica dobiva vlastitu jedinstvenu količinu vrtnje.
Iz raznih opskurnih matematičkih razloga, neke čestice poput elektrona dobivaju spin od 1/2, dok druge čestice poput fotona dobivaju spin 1. Ako se pitate kako bi se foton mogao ponašati poput okretne nabijene metalne kuglice, tada ne znojite ga previše; slobodno razmišljate o "centrifugiranju" kao još jednom svojstvu subatomskih čestica koje moramo pratiti, poput njihove mase i naboja. A neke čestice imaju više ovog svojstva, a neke manje.
Općenito, postoje dvije velike "obitelji" čestica: one s polu-cijelim brojevima (1/2, 3/2, 5/2, itd.), I one s cijelim cijelim brojevima (0, 1, 2, itd.) .) vrtjeti. Polisije se nazivaju „fermioni“ i sastoje se od građevnih blokova našeg svijeta: elektrona, kvarkova, neutrina i tako dalje. Cjeline se nazivaju "bozoni" i nositelji su sila prirode: fotona, gluona i ostalih.
Na prvi se pogled ove dvije skupine čestica ne mogu nikako razlikovati.
Simfonija djelića
U 1970-ima teoretičari struna počeo kritički gledati na ovo svojstvo spina i počeo se pitati može li tamo biti simetrija prirode. Ideja se brzo proširila izvan zajednice žica i postala je aktivno područje istraživanja u fizici čestica. Ako je istina, ova "supersimetrija" objedinila bi ove dvije naoko različite obitelji čestica. Ali kako bi izgledala ova supersimetrija?
Osnovna suština je da bi u superpersimetriji svaki fermion imao "česticu superpartnera" (ili "kratku česticu" - a imena će se samo pogoršavati) u svijetu bozona, i obrnuto, s točno istom masom i napuni, ali drukčije vrti.
Ali ako idemo tražiti sparticles, ne nalazimo nijedan. Na primjer, odjeljak elektrona ("selektron") trebao bi imati istu masu i naboj kao i elektron, ali spin od 1.
Ta čestica ne postoji.
Dakle, nekako se ova simetrija mora razbiti u našem svemiru, podižući masu sparticles izvan dometa naših sudara čestica. Mnogo je različitih načina postizanja supersimetrije, a svi predviđaju različite mase za selerone, stop kvarkove, sneutrino i sve ostale.
Do danas nisu pronađeni dokazi za supersimetriju i eksperimenti u Veliki hadronski sudarač isključili su najjednostavnije supersimetrične modele. Iako nije sasvim posljednji čavao u lijesu, teoretičari se grebete po glavi pitajući se da li supersimetrija zaista ne postoji u prirodi, i o čemu bismo trebali razmišljati ako ništa ne možemo pronaći.
- Svemir: Veliki prasak do sada u 10 jednostavnih koraka
- Teoretičari supergravitacije osvajaju nagradu za proboj iz fizike od tri milijuna dolara
- Tajanstvene čestice koje izviru iz Antarktike prkosimo fizici
Saznajte više slušajući epizodu "Vrijedi li teorija struna? (Dio 4: Trebamo superheroj)" na podcastu Ask A Spaceman, dostupan na iTunes, i na Internetu na http://www.askaspaceman.com, Zahvaljujući 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. za pitanja koja su dovela do ovog djela! Postavite svoje pitanje na Twitteru koristeći #AskASpaceman ili slijedeći Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter, Pratite nas na Twitteru @Spacedotcom ili Facebook.
