Supersimetrie

Supersimetria , sau simetria Fermi-Bose , este o simetrie ipotetică care leagă bosonii și fermionii în natură [1] . Transformarea abstractă a supersimetriei leagă câmpurile cuantice bosonice și fermionice , astfel încât acestea să se poată transforma unul în celălalt. În mod figurat, putem spune că transformarea supersimetriei poate traduce materia în interacțiune (sau în radiație ) și invers.

Supersimetria presupune dublarea (cel puțin) a numărului de particule elementare cunoscute datorită prezenței superpartenerilor. Pentru un foton  - photino , quark  - squark , higgs  - higgsino , boson W - vin , gluon - gluino și așa mai departe. Superpartenerii trebuie să aibă o valoare de spin care este un număr întreg diferit de valoarea de spin a particulei originale [2] [3] .

Supersimetria este o ipoteză fizică care nu a fost confirmată experimental. Este absolut stabilit că lumea noastră nu este supersimetrică în sensul simetriei exacte, deoarece în orice model supersimetric, fermionii și bosonii legați printr-o transformare supersimetrică trebuie să aibă aceeași masă , sarcină și alte numere cuantice (cu excepția spinului ). Această cerință nu este îndeplinită pentru particulele cunoscute în natură. Se presupune, însă, că există o limită de energie dincolo de care câmpurile sunt supuse transformărilor supersimetrice, dar nu în limită. În acest caz, particulele superpartenere ale particulelor obișnuite se dovedesc a fi foarte grele în comparație cu particulele obișnuite [4] .

Căutarea de superparteneri ai particulelor obișnuite este una dintre sarcinile principale ale fizicii moderne de înaltă energie [4] . Este de așteptat ca Large Hadron Collider [5] să poată descoperi și investiga particule supersimetrice, dacă acestea există, sau să pună la îndoială ipotezele supersimetrice dacă nu se găsește nimic.

Istorie

Supersimetria a fost propusă pentru prima dată în 1973 de către fizicianul austriac Julius Wess și fizicianul italian Bruno Zumino pentru a descrie particulele nucleare [6] [7] . Aparatul matematic al teoriei a fost descoperit chiar mai devreme, în 1971–1972, de către fizicienii sovietici Yuri Golfand și Evgeny Likhtman [8] de la FIAN , precum și Dmitri Volkov și Vladimir Akulov [9] [10] [11] de la KIPT . Supersimetria a apărut pentru prima dată în contextul versiunii de teorie a corzilor propusă de Pierre Ramon, John Schwartz și André Neveu, dar algebra de supersimetrie a fost mai târziu folosită cu succes în alte domenii ale fizicii.

Extensie supersimetrică a modelului standard

Principalul model fizic al fizicii moderne de înaltă energie, Modelul Standard  , nu este supersimetric, dar poate fi extins la o teorie supersimetrică. Extensia minimă supersimetrică a modelului standard este numită „model standard supersimetric minim” (MSSM). În MSSM, trebuie adăugate câmpuri suplimentare pentru a construi un multiplet supersimetric cu fiecare câmp al Modelului Standard. Pentru câmpurile de fermioni materiale  - quarci și leptoni  - trebuie să introduceți câmpuri scalare  - squarci și sleeponi , două câmpuri pentru fiecare câmp al Modelului Standard. Pentru câmpurile bosonice vectoriale  — gluoni , fotoni , bosoni W și Z  — sunt introduse câmpurile de fermion gluino , fotino , zino și vin , de asemenea, câte două pentru fiecare grad de libertate al Modelului Standard. Pentru a rupe simetria electroslabă în MSSM, trebuie să introduceți 2 dublete Higgs (în modelul standard obișnuit, este introdus un dublet Higgs), adică 5 grade Higgs de libertate apar în MSSM - un boson Higgs încărcat (2 grade de libertate) , un boson Higgs scalar ușor și greu și un boson Higgs pseudoscalar.

În orice teorie supersimetrică realistă, trebuie să existe un sector care rupe supersimetria. Cea mai naturală încălcare a supersimetriei este introducerea așa-numiților termeni de rupere soft în model. În prezent sunt luate în considerare mai multe variante de rupere a supersimetriei .

• SUGRA - ruperea supersimetriei , bazată pe interacțiunea cu gravitația;
• GMSB - încălcare din cauza interacțiunii cu câmpuri suplimentare de gabarit (cu taxe conform grupului de model standard);
• AMSB este o încălcare care folosește și interacțiunea cu gravitația, dar cu utilizarea anomaliilor conforme.

Prima versiune a MSSM a fost propusă în 1981 de către fizicienii americani Howard Georgi și Savas Dimopoulos .

Avantajele ideii de supersimetrie

Teoriile care includ supersimetria oferă o oportunitate de a rezolva mai multe probleme inerente modelului standard:

• Rezolvarea problemei ierarhiei [12] . Una dintre manifestările sale este mărimea corecțiilor radiative ale masei bosonului Higgs. În cadrul Modelului Standard, corecțiile la masa câmpului scalar au o formă pătratică și se dovedesc a fi mult mai mari decât masa câmpului inclusă în Lagrangian . Pentru a reduce astfel de corecții la masa Higgs, parametrii Modelului Standard trebuie să aibă valori foarte precis definite. În cadrul MSSM, corecțiile atât la fermionul, cât și la masele scalare sunt logaritmice, iar anularea lor este mai naturală, dar necesită o supersimetrie precisă. În plus, această soluție la problema ierarhiei presupune că masele superpartenerului nu pot fi mai mari de câteva sute de GeV . Acest argument ne permite să ne așteptăm la descoperirea supersimetriei la colizionatorul LHC .
• Unificarea constantelor de funcționare a gabaritului . Se știe că în teoriile gauge apare fenomenul unei constante de cuplare care rulează , adică valoarea constantei de interacțiune se modifică în funcție de scara de energie pe care se observă interacțiunea. Modelul standard se bazează pe trei grupuri de ecartament diferite. Valorile constantelor acestor grupuri sunt diferite la energii joase și se modifică odată cu creșterea energiei. La un nivel de energie de ordinul a 100 GeV , cele două constante devin aceleași ( fenomen de unificare electroslabă ). La nivelul de energie de 10 16 GeV , toate cele trei constante converg la aproximativ aceeași valoare, dar în Modelul Standard ele nu pot deveni egale între ele. Adică, strict vorbind, în cadrul Modelului Standard, „ marea unificare ” ( interacțiuni electro -slabe și puternice ) este imposibilă. Corecțiile datorate noilor câmpuri MSSM modifică forma evoluției energetice a constantelor, astfel încât acestea să poată converge către un punct.
• Materia întunecată [13] [14] . În ultimii ani s-au observat în astrofizică fenomene care indică existenţa materiei întunecate . În MSSM, un candidat apare în mod natural pentru a explica acest fenomen - neutralino , o particulă neutră stabilă.

Probleme cu ideea de supersimetrie

• Dublarea numărului de câmpuri .
• Problema termenului μ.
• Versatilitatea aromatică a membrelor moi și a masei A.
• Micimea fazelor de încălcare a CP .

Aplicarea aparatului matematic al supersimetriei

Indiferent de existența supersimetriei în natură, aparatul matematic al teoriilor supersimetrice se dovedește a fi util în diverse domenii ale fizicii. În special, mecanica cuantică supersimetrică face posibilă găsirea de soluții exacte la ecuațiile Schrödinger extrem de netriviale . Supersimetria se dovedește a fi utilă în unele probleme de fizică statistică (de exemplu, modelul sigma supersimetric).

Mecanica cuantică supersimetrică

Mecanica cuantică supersimetrică diferă de mecanica cuantică prin faptul că include superalgebra SUSY, spre deosebire de teoria câmpului cuantic. Mecanica cuantică supersimetrică devine adesea relevantă atunci când se studiază dinamica solitonilor supersimetrici și, datorită naturii simpliste a câmpurilor, care sunt dependente de timp (mai degrabă decât spațiu-timp), s-au făcut progrese mari în această abordare, iar teoria este acum studiată în propriul său drept.

Mecanica cuantică SUSY consideră perechi de hamiltonieni care se află într-o anumită relație matematică, numite hamiltonieni parteneri . Iar termenii corespunzători ai energiei potențiale incluse în hamiltonieni sunt cunoscuți ca potențiale partenere . Teorema principală arată că pentru fiecare stare proprie a unui Hamiltonian, partenerul său Hamiltonian are o stare proprie corespunzătoare cu aceeași energie. Acest fapt poate fi folosit pentru a obține multe proprietăți ale spectrului de valori proprii. Acest lucru este analog cu noua descriere a SUSY, care se referea la bozoni și fermioni. Ne putem imagina un „hamiltonian bosonic” ale cărui stări proprii sunt diferiții bosoni ai teoriei noastre. Iar partenerul SUSY al acestui Hamiltonian va fi „fermion”, iar stările sale proprii vor fi fermionii teoriei. Fiecare boson va avea un partener fermion de energie egală.

Supersimetria în fizica materiei condensate

Conceptul de SUSY sa dovedit util pentru unele aplicații de aproximări semiclasice . În plus, SUSY este aplicat sistemelor cu dezordine medie, atât cuantică, cât și non-cuantică (prin mecanică statistică ), ecuația Fokker-Planck  este un exemplu de teorie non-cuantică. „Supersimetria” din toate aceste sisteme rezultă din faptul că o singură particulă este modelată și, prin urmare, „statisticile” sunt irelevante. Utilizarea metodei supersimetriei oferă o alternativă riguroasă din punct de vedere matematic la metoda replicii , dar numai în sistemele care nu interacționează, care încearcă să rezolve așa-numita „problema numitorului” atunci când se face media peste dezordine. Pentru mai multe despre aplicațiile supersimetriei în fizica materiei condensate, vezi Efetov (1997) [15] .

Verificare experimentală

În 2011, au fost efectuate o serie de experimente la Large Hadron Collider (LHC), în cadrul cărora au fost testate concluziile fundamentale ale teoriei supersimetriei, precum și corectitudinea descrierii acesteia asupra lumii fizice. După cum a afirmat pe 27 august 2011 de către profesorul de la Universitatea din Liverpool Tara Shears , experimentele nu au confirmat principalele prevederi ale teoriei [16] [17] . Totodată, Tara Shears a clarificat că nici varianta simplificată a teoriei supersimetriei nu a fost confirmată, dar rezultatele obținute nu infirmă o versiune mai complexă a teoriei.

Până la sfârșitul anului 2012, statisticile privind dezintegrarea unui mezon B ciudat în doi muoni au fost acumulate la detectorul LHCb al Large Hadron Collider [18] . Rezultatele preliminare se potriveau cu predicția modelului standard de (3,66 ± 0,23)⋅10 -9 , în timp ce extensia sa supersimetrică prezice o probabilitate mai mare de dezintegrare. În primăvara lui 2015, colaborările LHCb și CMS și-au combinat datele despre dezintegrarea ciudatului mezon B într-o pereche muon-antimuon și au obținut o probabilitate de dezintegrare de 2,8 .+0,7
-0,6⋅10 -9 cu un nivel de semnificație statistică de 6,2 σ. Astfel, probabilitatea acestui eveniment extrem de rar este semnificativă statistic și concordă bine cu predicția Modelului Standard. [19] .

Rezultatele verificării momentului dipol electric al electronului (2013) nu au confirmat nici variantele teoriilor supersimetrice [20] .

Cu toate acestea, teoriile supersimetrice pot fi confirmate de alte experimente, în special de observații ale dezintegrarii mezonului neutru B 0 . [21] . După repornirea în primăvara lui 2015, LHC plănuiește să înceapă să funcționeze la 13 TeV și să continue să caute abateri de la previziunile statistice ale Modelului Standard. [22] [23] .

Lipsa datelor experimentale care să confirme teoria supersimetriei a dus la apariția unor critici ai acestei teorii chiar și în rândul foștilor pasionați de supersimetrie. Așadar, teoreticianul Mikhail Shifman a publicat un articol critic în octombrie 2012 [24] . În articol, el a scris direct că teoria supersimetriei nu are perspective, că trebuie abandonată de dragul ideilor noi și de dragul unei noi generații de fizicieni teoreticieni (ca să nu devină o generație pierdută).

Vezi și

• model standard
• Teoria corzilor
• Probleme nerezolvate ale fizicii moderne

Note

1. ↑ Tomilin K. A. Constante fizice fundamentale în aspecte istorice și metodologice. M.: Fizmatlit, 2006, 368 s, pag. 153. (djvu)
2. ↑ Simeon Bird, Ilias Cholis, Julian B. Muñoz, Yacine Ali-Haïmoud, Marc Kamionkowski, Ely D. Kovetz, Alvise Raccanelli, Adam G. Riess . LIGO a detectat materia întunecată?  (engleză) , Biblioteca Universității Cornell (1 martie 2016).
3. ↑ Laureatul Nobel a sugerat descoperirea supersimetriei  (rusă) , Lenta.ru (6 martie 2016).
4. ↑ 1 2 Există supersimetrie în lumea particulelor elementare?
5. ↑ Raport tehnic scurt oficial CERN 2 iulie 2008  (link nu este disponibil  )
6. ↑ Wess J., Zumino B., Transformări Supergauge în patru dimensiuni, Nucl. Fiz. V., 1974, v. 70, pp. 39-49.
7. ↑ Wess J., Zumino B., A Lagrangian Model Invariant under Gauge Transformations, Phys. Lett. V., 1974, v. 49, pp. 52-54.
8. ↑ Golfand Yu. A., Likhtman E. P., Extensia algebrei generatorului Poincaré și încălcarea invarianței P Copie de arhivă din 28 septembrie 2013 pe Wayback Machine , JETP Letters, 1971, vol. 13, numărul 8, pp. 452— 455.
9. ↑ D. V. Volkov, V. P. Akulov, Despre posibila interacțiune universală a neutrinilor Copie de arhivă din 21 februarie 2017 la Wayback Machine , JETP Letters, 1972, v. 16, numărul 11, pp. 621-624.
10. ↑ DV Volkov, VP Akulov, Phys. Lett. Neitrino este o particulă Goldstone? B46 (1973) pp. 109-110.
11. ↑ Akulov V.P., Volkov D.V., Goldstone fields with spin half , Teor. mat. fizică, 1972, v. 18, p. 39-50.
12. ↑ David, Curtin (august 2011). Model Building And Collider Physics Above The Weak Scale (PDF) (teză de doctorat). Universitatea Cornell.
13. ↑ Feng, Jonathan Supersymmetric Dark Matter (link nu este disponibil) . Universitatea din California, Irvine (11 mai 2007). Preluat la 25 martie 2021. Arhivat din original la 11 mai 2013. (nedefinit) 
14. ↑ Bringmann, Torsten The WIMP „Miracolul” . Universitatea din Hamburg. Arhivat din original la 1 martie 2013. (nedefinit)
15. ↑ Efetov, Konstantin. Supersimetria în dezordine și haos. — Cambridge University Press, 1997.
16. ↑ Experimentul de la Large Hadron Collider a respins teoria modernă a universului // vesti.ru
17. ↑ Rezultatele LHC pun teoria supersimetriei „la fața locului” // BBC News
18. ↑ Civizorul aproape a închis „noua fizică”  (rusă) , RIA Novosti  (12 noiembrie 2012). Consultat la 14 noiembrie 2012.
19. ↑ Observarea degradării rare a Bs0 →µ+µ− din analiza combinată a datelor CMS și LHCb  :: Nature
20. ↑ Forma sferică a electronului pune sub semnul întrebării existența supersimetriei // Popular Mechanics , 14 noiembrie 2013
21. ↑ Dezintegrarea mezonului rară a exclus supersimetria // nplus1.ru
22. ↑ Detectoarele LHC se pregătesc să caute New physics la 13 TeV
23. ↑ Căutarea supersimetriei. Ieși, ieși, oriunde te-ai afla! // economist.com
24. ↑ M. Shifman. Reflecții și portret impresionist la frontierele conferinței dincolo de modelul standard   // FTPI . - 2012. - 31 octombrie.

Literatură

• The Large Hadron Collider: Harvest of Run 1 p. 421-462 Monografia publicată cu privire la rezultatele LHC Run 1

Link -uri

• Seminar despre supersimetrii. Volumul 1. Algebră și analiză: fapte de bază (I. N. Bernshtein, D. A. Leites, V. N. Shander) MCME 2011
• Vess Yu., Begger D. Supersimetrie și supergravitație. M.: Mir, 1986.  (link inaccesibil) Arhivă
• West P. Introducere în supersimetrie și supergravitație. M.: Mir, 1989.
• Gorbunov, D. S., Dubovsky, S. L., Troitsky, S. V. Mecanism gauge pentru transmiterea ruperii supersimetriei // UFN , volumul 169, numărul 7. - M .: 1999, p. 705-736.
• Likhtman E.P. Supersymmetry - acum 30 de ani // UFN , volumul 171, numărul 9. - M .: 2001, p. 1025-1032.
• Steven P. Martin Introduction to Supersymmetry // arXiv.org , 1997(v1)-2011(v6)  (eng.) .
• Articolul „Supersimetrie” din „Enciclopedia fizică”.
• Știri despre marele colizător de hadroni . Frecarea dintre supersimetrie și datele LHC nu este atât de mare pe cât se credea anterior . „Elemente” (26 septembrie 2013). Preluat: 30 septembrie 2013. (nedefinit)
• Ascunde-te în spațiul cu 11 dimensiuni Alexander Gorsky „Varianta Trinity” nr. 17(211), 23 august 2016