Бозон Хіггса розпадається під час цього зіткнення, зафіксованого детектором ATLAS 18 травня 2012 року.
(Зображення: © ATLAS)
Пол М. Саттер є астрофізиком в SUNY Stony Brook та Інституті Флатірона, господарем Запитайте космонавта і Космічне радіота автор "Ваше місце у Всесвіті."Саттер зробив внесок у цю статтю Голоси експертів Space.com: Op-Ed & Insights.
Симетрії в природі керують нашим фундаментальним розумінням космосу, від універсальності тяжіння до об'єднання сили природи при високих енергіях.
У 70-х роках фізики розкрили потенційну симетрію, яка об'єднала всі види частинок у нашому Всесвіті, від електронів до фотонів і всього між ними. Цей зв'язок, відомий як суперсиметрія, покладається на дивну квантову властивість спіна і потенційно є ключем до розблокування нового розуміння фізики.
Симетрії - це сила
Протягом століть симетрія дозволяла фізикам знаходити основні зв’язки та фундаментальні зв’язки у всьому Всесвіті. Коли Ісаак Ньютон Першим натиснув на думку про те, що сила тяжіння, яка витягує яблуко з дерева, є саме такою силою, яка тримає Місяць на орбіті навколо Сонця, він виявив симетрію: закони гравітації справді універсальні. Це розуміння дозволило йому зробити величезний стрибок у розумінні того, як працює природа.
Протягом 1800-х років фізики всього світу спантеличували дивні властивості електрики, магнетизму та випромінювання. Що змусило електричний струм стікати по дроту? Як спінінг-магніт міг штовхати той самий струм? Була світла хвиля чи частинка? Десятиліття важкого розмірковування завершилося чистим математичним проривом Джеймса Клерка Максвелла, який об'єднав усі ці чіткі галузі дослідження під єдиним набором простих рівнянь: електромагнетизм.
Альберт Ейнштейн теж зробив свій слід, зробивши ідеї Ньютона ще на крок. Вважаючи максимумом, що всі фізичні закони повинні бути однаковими незалежно від вашого положення чи швидкості, він виявив спеціальна відносність; уявлення про час і простір довелося переписати, щоб зберегти цю симетрію природи. І додавання сили тяжіння до цієї суміші призвело його до загальна відносність, наше сучасне розуміння цієї сили.
Навіть наші закони збереження - збереження енергії, збереження імпульсу тощо - залежать від симетрії. Той факт, що ви можете проводити експеримент день за днем і отримувати однаковий результат, виявляє симетрію через час, яка через математичний геній Еммі Нітер веде до закону розмови про енергію. І якщо ви підберете свій експеримент і перемістите його по кімнаті і все-таки отримаєте той самий результат, ви просто розкрили симетрію через простір і відповідне збереження імпульсу.
Прямо дзеркало
У макроскопічному світі це підсумовує всі симетрики, з якими ми стикалися в природі. Але субатомний світ - це інша історія. Основні частинки наш Всесвіт мають цікаву властивість, відому як "віджимання". Вперше було виявлено в експериментах, які вистрілювали атоми через різноманітне магнітне поле, внаслідок чого їхні шляхи відхилялися точно так само, як і метала куля, що обертається, електрично заряджена.
Але субатомні частинки не крутяться, електрично заряджені металеві кульки; вони просто діють як вони в певних експериментах. І на відміну від своїх аналогів звичайного світу, субатомні частинки не можуть мати обертання, яке вони бажають. Натомість кожен вид частинок отримує свою унікальну кількість віджиму.
З різних незрозумілих математичних причин деякі частинки, такі як електрон, отримують спину 1/2, а інші частинки, як фотон, отримують віджимання 1. Якщо вам цікаво, як фотон міг би поводитись як спінінг заряджений металевий куля, то не потійте його занадто сильно; Ви можете просто думати про «віджимання» як про ще одну властивість субатомних частинок, які ми повинні відслідковувати, як їх масу та заряд. І деякі частинки мають більше цієї властивості, а деякі - менше.
Загалом, є дві великі "родини" частинок: спини з півцілим числом (1/2, 3/2, 5/2 тощо) і ті, що мають цілочисельні (0, 1, 2, і т.д.) .) прясти. Половинки називають "ферміонами" і складаються з будівельних блоків нашого світу: електронів, кварків, нейтрино тощо. Супутники називаються "бозонами" і є носіями сил природи: фотонів, глюонів та інших.
На перший погляд, ці дві родини частинок не могли бути різними.
Симфонія спартикул
У 1970-х рр. теоретики струн почав критично дивитися на цю властивість спина і почав замислюватися, чи може там бути симетрія природи. Ідея швидко поширилася поза спільнотою струн і стала активною зоною досліджень фізики частинок. Якщо це правда, ця "суперсиметрія" об'єднала б ці дві, здавалося б, розрізнені сімейства частинок. Але як виглядатиме ця суперсиметрія?
Основна суть полягає в тому, що в суперсиметрії кожен ферміон мав би "частинку надпартії" (або короткий "частинка" - імена тільки погіршаться) у світі бозонів, і навпаки, з точно такою ж масою і заряджайте, але інший віджим.
Але якщо ми підемо шукати осколки, ми їх не знайдемо. Наприклад, проділ електрона ("селекрон") повинен мати ту саму масу і заряд, що й електрон, але спін 1.
Цієї частки не існує.
Отже, якось ця симетрія повинна бути порушена у нашому Всесвіті, що сприяє збільшенню маси сплетень за межами колалайнерів. Існує багато різних способів досягнення суперсиметрії, всі прогнозують різні маси для селектонів, стоп-кварків, снутрино та всіх інших.
На сьогоднішній день жодних доказів суперсиметрії не знайдено, а експерименти в Великий адронний колайдер виключили найпростіші суперсиметричні моделі. Хоча це не зовсім останній цвях у труні, теоретики дряпають голову, задаючись питанням, чи справді в природі не зустрічається суперсиметрія, і що нам слід думати далі, якщо ми нічого не зможемо знайти.
- Всесвіт: Великий вибух зараз за 10 простих кроків
- Теоретики "Супергравітації" виграли приз за прорив фізики в 3 мільйони доларів
- Таємничі частинки, що лунають з Антарктиди, не піддаються фізиці
Дізнайтеся більше, прослухавши епізод «Чи варта теорія струн? (Частина 4: Нам потрібен супергерой)» на подкасті Ask A Spaceman, доступному на iTunesта в Інтернеті за адресою http://www.askaspaceman.com. Завдяки Джону К., Закарі Х., @edit_room, Метью Ю., Крістоферу Л., Кризні В., Саяну П., Неха С., Закарі Х., Джойсу С., Маурісіо М., @shrenicshah, Панос Т ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. за запитання, що призвели до цього твору! Задайте своє власне запитання у Twitter, використовуючи #AskASpaceman або дотримуючись Пола @PaulMattSutter і facebook.com/PaulMattSutter. Слідкуйте за нами у Twitter @Spacedotcom або Facebook.
