Vystymo metodai

Fizinių sistemų, pavaizduotų dalelių modeliais, pavyzdžiai. Standartinis fundamentalių sąveikų modelis. Uždarymai ir atidarymai

Neseniai Joaquim Mathias vadovaujamos mokslininkų komandos atradimas pirmą kartą rimtai sukrėtė šiuolaikinės dalelių fizikos pagrindą, būtent standartinį modelį. Mokslininkams pavyko numatyti nestandartinį B-mezono dalelės skilimo variantą, į kurį šis modelis neatsižvelgia. Be to, beveik iš karto jų spėjimai buvo patvirtinti eksperimentiškai.

Reikėtų pažymėti, kad pastaraisiais metais fizikai, dalyvaujantys elementariųjų dalelių tyrime, vis dažniau sako, kad ši disciplina jau tapo per maža visiems žinomo standartinio modelio rėmuose. Iš tiesų, jau užregistruota daug reiškinių, kuriuos sunku paaiškinti jos rėmuose. Pavyzdžiui, šis modelis negali nuspėti, iš kurių dalelių gali susidaryti tamsioji medžiaga, taip pat neatsako į mokslininkus jau seniai kankinusį klausimą – kodėl mūsų Visatoje materijos daugiau nei antimedžiagos (barionų asimetrija). O erzioninė šaltos branduolių transmutacijos proceso interpretacija, apie kurią rašėme ne taip seniai, taip pat peržengia to paties Standartinio modelio „veiksmą“.

Nepaisant to, dauguma fizikų vis dar laikosi šio konkretaus būdo paaiškinti paslaptingą elementariųjų dalelių gyvenimą. Iš dalies dėl to, kad iki šiol niekas nieko geresnio nesukūrė, iš dalies dėl to, kad dauguma Standartinio modelio prognozių vis dar turi eksperimentinį patvirtinimą (to negalima pasakyti apie alternatyvias hipotezes). Be to, iki šiol eksperimentuose nebuvo galima rasti rimtų nukrypimų nuo šio modelio. Tačiau neatrodo, kad tai atsitiko taip seniai. Tai gali reikšti visiškai naujos dalelių fizikos teorijos gimimą, kurioje dabartinis Standartinis modelis atrodys kaip ypatingas atvejis, kaip ir Niutono universaliosios gravitacijos teorija atrodo kaip ypatingas gravitacijos atvejis bendrosios reliatyvumo teorijos rėmuose.

Viskas prasidėjo nuo to, kad tarptautinė fizikų grupė, vadovaujama Joaquim Mathias, pateikė keletą prognozių, kokie B-mezono irimo tikimybės nukrypimai gali skirtis nuo standartinio modelio ir rodyti naują fiziką. Leiskite jums priminti, kad B-mezonas yra dalelė, susidedanti iš b-kvarko ir d-antikvarko. Pagal Standartinio modelio nuostatas ši dalelė gali suirti į miuoną (neigiamo krūvio dalelę, iš tikrųjų labai sunkų elektroną) ir antimuoną, nors tokio įvykio tikimybė nėra labai didelė. Tačiau praėjusiais metais Kiote vykusioje konferencijoje didžiajame hadronų greitintuve dirbantys fizikai pranešė, kad jiems pavyko užfiksuoti tokio skilimo pėdsakus (ir su tokia tikimybe, kuri buvo teoriškai prognozuota).

Matthiaso grupė manė, kad šis mezonas turėtų suirti kiek kitaip – į miuonų porą ir iki šiol nežinomą dalelę K *, kuri beveik iš karto suyra į kaoną ir pioną (du lengvesni mezonai). Pastebėtina, kad mokslininkai liepos 19 d. Europos fizikos draugijos posėdyje pranešė apie savo tyrimų rezultatus, o kitas pranešėjas iš tų, kurie kalbėjo šiame renginyje (tai buvo fizikas Nicolas Serra iš LHCb bendradarbiavimo iš Didžiojo hadrono Collider) pranešė, kad jo grupei pavyko nustatyti tokių gedimų pėdsakus. Be to, Serra grupės eksperimentiniai rezultatai beveik visiškai sutapo su nukrypimais, numatytais daktaro Matthiaso ir jo bendraautorių pranešime!

Įdomu tai, kad fizikai šiuos rezultatus vertina statistine 4,5σ reikšmingumu, o tai reiškia, kad aprašyto įvykio patikimumas yra labai labai didelis. Leiskite jums priminti, kad eksperimentiniai trijų σ įrodymai laikomi reikšmingos reikšmės rezultatais, o penki σ – nusistovėjusiu atradimu – tokia reikšmingumo reikšmė priskirta praėjusių metų eksperimentų rezultatams, kurių pėdsakai pagaliau buvo rasti. apie Higso bozono egzistavimą.

Vis dėlto pats daktaras Matthias mano, kad išvadų daryti kol kas nereikėtų. "Norint patvirtinti šiuos rezultatus, reikės atlikti papildomus teorinius tyrimus, taip pat naujus matavimus. Tačiau jei mūsų išvados tikrai teisingos, susidursime su pirmuoju tiesioginiu naujos fizikos egzistavimo patvirtinimu - teorija, kuri yra bendresnė už bendrą. priimtas Standartinis modelis. Jei Higso bozonas pagaliau leistų Standartinio modelio dėlionę, šie rezultatai galėtų būti pirmoji naujos dėlionės dalis – daug didesnė“, – sako mokslininkas.

standartinis modelis yra moderni elementariųjų dalelių sandaros ir sąveikos teorija, ne kartą patikrinta eksperimentiškai. Ši teorija paremta labai nedideliu postulatų skaičiumi ir leidžia teoriškai numatyti tūkstančių skirtingų procesų savybes elementariųjų dalelių pasaulyje. Daugeliu atvejų šios prognozės pasitvirtina eksperimentu, kartais itin tiksliai, o tie reti atvejai, kai Standartinio modelio prognozės nesutampa su patirtimi, tampa karštų diskusijų objektu.

Standartinis modelis yra riba, kuri elementariųjų dalelių pasaulyje atskiria patikimai žinomą nuo hipotetinio. Nepaisant įspūdingos sėkmės aprašant eksperimentus, standartinis modelis negali būti laikomas pagrindine elementariųjų dalelių teorija. Fizikai tuo įsitikinę tai turi būti kokios nors gilesnės mikropasaulio sandaros teorijos dalis. Kokia tai teorija, dar tiksliai nežinoma. Teoretikai sukūrė daugybę kandidatų tokiai teorijai, tačiau tik eksperimentas turėtų parodyti, kuris iš jų atitinka realią situaciją, susidariusią mūsų Visatoje. Štai kodėl fizikai atkakliai ieško bet kokių nukrypimų nuo standartinio modelio, bet kokių dalelių, jėgų ar efektų, kurių standartinis modelis nenumato. Visus šiuos reiškinius mokslininkai bendrai vadina „nauja fizika“; tiksliai ieškoti naujos fizikos ir yra pagrindinė Didžiojo hadronų greitintuvo užduotis.

Pagrindiniai standartinio modelio komponentai

Standartinio modelio darbo įrankis yra kvantinio lauko teorija – teorija, kuri pakeičia kvantinę mechaniką greičiu, artimu šviesos greičiui. Pagrindiniai objektai jame yra ne dalelės, kaip klasikinėje mechanikoje, ir ne „dalelių bangos“, kaip kvantinėje mechanikoje, o kvantiniai laukai: elektroninis, miuoninis, elektromagnetinis, kvarkas ir kt. – po vieną kiekvienai „mikropasaulio subjektų“ atmainai.

Ir vakuumas, ir tai, ką mes suvokiame kaip atskiras daleles, ir sudėtingesni dariniai, kurių negalima redukuoti į atskiras daleles – visa tai apibūdinama kaip skirtingos laukų būsenos. Kai fizikai vartoja žodį „dalelė“, iš tikrųjų jie turi omenyje šias laukų būsenas, o ne atskirus taškinius objektus.

Standartinį modelį sudaro šie pagrindiniai ingredientai:

Pagrindinių materijos „plytų“ rinkinys - šešių rūšių leptonų ir šešių rūšių kvarkų. Visos šios dalelės yra 1/2 fermionų ir labai natūraliai susiskirsto į tris kartas. Daugybę hadronų – sudėtinių dalelių, dalyvaujančių stiprioje sąveikoje – sudaro kvarkai įvairiais deriniais.
Trys jėgų rūšys veikiantis tarp fundamentalių fermionų – elektromagnetinių, silpnųjų ir stipriųjų. Silpna ir elektromagnetinė sąveika yra dvi to paties pusės elektrosilpna sąveika. Stipri jėga išsiskiria, ir būtent ši jėga sujungia kvarkus į hadronus.
Visos šios jėgos aprašomos remiantis matuoklio principas- jie neįvedami į teoriją „per prievartą“, o tarsi atsiranda savaime dėl reikalavimo, kad teorija būtų simetriška tam tikrų transformacijų atžvilgiu. Atskiri simetrijos tipai sukelia stiprią ir elektrosilpną sąveiką.
Nepaisant to, kad pačioje teorijoje yra elektrosilpna simetrija, mūsų pasaulyje ji spontaniškai pažeidžiama. Spontaniškas elektrosilpnos simetrijos pažeidimas- būtinas teorijos elementas, o standartinio modelio rėmuose pažeidimas atsiranda dėl Higgso mechanizmo.
Skaitinės reikšmės apie dvi dešimtis konstantų: tai yra pagrindinių fermionų masės, jų stiprumą apibūdinančių sąveikos konstantų skaitinės vertės ir kai kurie kiti dydžiai. Visi jie kartą ir visiems laikams išgaunami iš palyginimo su patirtimi ir nebekoreguojami tolesniuose skaičiavimuose.

Be to, standartinis modelis yra renormalizuojama teorija, tai yra, visi šie elementai į jį įvedami taip nuosekliai, kad iš esmės leidžia atlikti skaičiavimus reikiamu tikslumu. Tačiau dažnai skaičiavimai su norimu tikslumu pasirodo nepakeliamai sudėtingi, tačiau tai ne pačios teorijos, o mūsų skaičiavimo gebėjimų problema.

Ką gali ir ko negali padaryti standartinis modelis

Standartinis modelis daugeliu atžvilgių yra aprašomoji teorija. Tai nepateikia atsakymų į daugelį klausimų, prasidedančių „kodėl“: kodėl tiek daug dalelių ir būtent šios? iš kur atsirado ši sąveika ir būtent su tokiomis savybėmis? Kodėl gamtai reikėjo sukurti tris fermionų kartas? Kodėl skaitinės parametrų reikšmės yra visiškai vienodos? Be to, standartinis modelis negali apibūdinti kai kurių gamtoje stebimų reiškinių. Visų pirma, jame nėra vietos neutrinų masėms ir tamsiosios medžiagos dalelėms. Standartinis modelis neatsižvelgia į gravitaciją ir nežinoma, kas atsitiks su šia teorija Plancko energijų skalėje, kai gravitacija tampa nepaprastai svarbi.

Tačiau jei Standartinis modelis naudojamas pagal paskirtį, elementariųjų dalelių susidūrimo rezultatams numatyti, tai jis leidžia, priklausomai nuo konkretaus proceso, atlikti skaičiavimus su įvairaus tikslumo laipsniais.

Elektromagnetinių reiškinių (elektronų sklaidos, energijos lygių) tikslumas gali siekti milijonines dalis ar net geresnį. Rekordą čia išlaiko anomalinis elektrono magnetinis momentas, kuris skaičiuojamas geresniu nei vienos milijardosios dalies tikslumu.
Daugelis didelės energijos procesų, vykstančių dėl elektrosilpnos sąveikos, apskaičiuojami didesniu nei procento tikslumu.
Blogiausia yra stipri sąveika esant ne per didelėms energijoms. Tokių procesų skaičiavimo tikslumas labai skiriasi: vienur jis gali siekti procentą, kitais atvejais skirtingi teoriniai požiūriai gali duoti kelis kartus besiskiriančius atsakymus.

Verta pabrėžti, kad tai, kad kai kuriuos procesus sunku apskaičiuoti reikiamu tikslumu, nereiškia, kad „teorija bloga“. Tiesiog tai labai sudėtinga, o dabartinių matematinių metodų dar nepakanka, kad būtų galima atsekti visas jo pasekmes. Visų pirma, viena iš garsių matematinių Tūkstantmečio problemų yra susijusi su kvantinės teorijos surišimo su ne Abelio matuoklio sąveika problema.

Papildoma literatūra:

Pagrindinės informacijos apie Higso mechanizmą galima rasti L. B. Okun knygose „Elementariųjų dalelių fizika“ (žodžių ir paveikslėlių lygiu) ir „Leptonai ir kvarkai“ (rimtu, bet prieinamu lygiu).

„Įdomu, kodėl grupė talentingų ir atsidavusių žmonių savo gyvenimą paaukotų tokių mažų objektų, kurių net nematyti, vaikytis? Tiesą sakant, dalelių fizikų pamokose pasireiškia žmogaus smalsumas ir noras sužinoti, kaip veikia pasaulis, kuriame gyvename.“ – Seanas Carrollas.

Jei vis dar bijote frazės kvantinė mechanika ir vis dar nežinote, kas yra standartinis modelis – sveiki atvykę į katę. Savo publikacijoje pasistengsiu kuo paprasčiau ir aiškiau paaiškinti kvantinio pasaulio, taip pat elementariųjų dalelių fizikos pagrindus. Pabandysime išsiaiškinti, kokie yra pagrindiniai skirtumai tarp fermionų ir bozonų, kodėl kvarkai turi tokius keistus pavadinimus ir galiausiai, kodėl visi taip norėjo rasti Higso bozoną.

Iš ko mes pagaminti?

Na, o kelionę į mikrokosmosą pradėsime nuo paprasto klausimo: iš ko susideda mus supantys objektai? Mūsų pasaulis, kaip ir namas, susideda iš daugybės mažų plytų, kurias ypatingu būdu sujungus sukuriama nauja ne tik išvaizda, bet ir savybėmis. Tiesą sakant, įdėmiai pažvelgę į juos, pamatysite, kad nėra tiek daug skirtingų blokų tipų, tiesiog kiekvieną kartą jie vis kitaip jungiasi vienas su kitu, sudarydami naujas formas ir reiškinius. Kiekvienas blokas yra nedaloma elementari dalelė, apie kurią ir bus kalbama mano istorijoje.

Pavyzdžiui, paimkime kokią nors medžiagą, tegul tai yra antrasis Mendelejevo periodinės sistemos elementas, inertinės dujos, helis. Kaip ir kitos visatos medžiagos, helis susideda iš molekulių, kurias savo ruožtu sudaro ryšiai tarp atomų. Bet šiuo atveju mums helis yra šiek tiek ypatingas, nes tai tik vienas atomas.

Iš ko sudarytas atomas?

Helio atomas, savo ruožtu, susideda iš dviejų neutronų ir dviejų protonų, kurie sudaro atomo branduolį, aplink kurį sukasi du elektronai. Įdomiausia tai, kad čia vienintelis absoliučiai nedalomas elektronas.

Įdomus kvantinio pasaulio momentas

Kaip mažiau elementariosios dalelės masė daugiau ji užima vietą. Būtent dėl šios priežasties elektronai, kurie yra 2000 kartų lengvesni už protoną, užima daug daugiau vietos nei atomo branduolys.

Neutronai ir protonai priklauso vadinamųjų grupei hadronai(dalelės stipriai sąveikauja), o jei dar tiksliau, barionai.

Hadronus galima suskirstyti į grupes
Barionai, sudaryti iš trijų kvarkų

Mezonai, susidedantys iš poros: dalelė-antidalelė

Neutronas, kaip rodo jo pavadinimas, yra neutraliai įkrautas ir gali būti suskirstytas į du žemyn ir vieną aukštyn kvarką. Protonas, teigiamai įkrauta dalelė, yra padalintas į vieną žemyn kvarką ir du aukštyn kvarkus.

Taip, taip, aš nejuokauju, jie tikrai vadinami viršutiniais ir apatiniais. Atrodytų, jei atrastume viršutinius ir apatinius kvarkus ir net elektroną, jų pagalba galėtume apibūdinti visą Visatą. Tačiau šis teiginys būtų labai toli nuo tiesos.

Pagrindinė problema yra ta, kad dalelės turi kažkaip sąveikauti viena su kita. Jei pasaulį sudarytų tik ši trejybė (neutronas, protonas ir elektronas), tai dalelės tiesiog skristų per didžiules erdvės platybes ir niekada nesiburtų į didesnius darinius, kaip hadronai.

Fermionai ir bozonai

Gana seniai mokslininkai išrado patogią ir glaustą elementariųjų dalelių vaizdavimo formą, vadinamą standartiniu modeliu. Pasirodo, visos elementarios dalelės yra suskirstytos į fermionai, iš kurios susideda visa materija, ir bozonai, kurios vykdo įvairias fermionų sąveikas.

Skirtumas tarp šių grupių yra labai aiškus. Faktas yra tas, kad pagal kvantinio pasaulio dėsnius fermionams reikia šiek tiek erdvės išgyventi, o jų kolegos bozonai gali lengvai gyventi vienas ant kito trilijonais.

Fermionai

Fermionų grupė, kaip jau minėta, sukuria aplink mus matomą materiją. Kad ir ką matytume, kur bebūtų, sukuria fermionai. Fermionai skirstomi į kvarkai, kurios stipriai sąveikauja viena su kita ir yra įstrigusios sudėtingesnėse dalelėse, tokiose kaip hadronai ir leptonai, kurios laisvai egzistuoja erdvėje nepriklausomai nuo jų atitikmenų.

Kvarkai skirstomi į dvi grupes.

Viršutinis tipas. Aukštieji kvarkai, kurių krūvis yra +23, apima: aukštyn, žavesį ir tikrus kvarkus
Žemesnio tipo. Pūkų tipo kvarkai, kurių krūvis yra -13, apima: pūkų, keistų ir žavingų kvarkų

Tikri ir mieli yra didžiausi kvarkai, o aukštyn ir žemyn – mažiausi. Kodėl kvarkams buvo suteikti tokie neįprasti pavadinimai, o tiksliau – „skoniai“, mokslininkams iki šiol kyla ginčų.

Leptonai taip pat skirstomi į dvi grupes.

Pirmoji grupė, kurios krūvis yra „-1“, apima: elektroną, miuoną (sunkesnę dalelę) ir tau dalelę (masyviausia)
Antroje, neutralaus krūvio grupėje yra: elektroninis neutrinas, miuono neutrinas ir tau neutrinas

Neutrinas yra maža medžiagos dalelė, kurios aptikti beveik neįmanoma. Jo įkrova visada yra 0.

Kyla klausimas, ar fizikai ras dar kelias dalelių kartas, kurios bus dar masyvesnės nei ankstesnės. Sunku į tai atsakyti, tačiau teoretikai mano, kad leptonų ir kvarkų kartos apsiriboja trimis.

Neradote panašumų? Ir kvarkai, ir leptonai yra suskirstyti į dvi grupes, kurios skiriasi viena nuo kitos pagal vienetą? Bet apie tai vėliau...

Bozonai

Be jų fermionai aplink visatą skristų nuolatine srove. Tačiau keisdamiesi bozonais, fermionai vienas kitam pasakoja tam tikrą sąveiką. Patys bozonai tarpusavyje nesąveikauja.

Bozonų perduodama sąveika yra tokia:

elektromagnetinis, dalelės – fotonai. Šios bemasės dalelės praleidžia šviesą.
stiprus branduolinis, dalelės yra gliuonai. Jų pagalba kvarkai iš atomo branduolio nesuyra į atskiras daleles.
Silpnas branduolinis, dalelės – W ir Z bozonai. Jų pagalba fermionai perduodami masei, energijai ir gali virsti vienas kitu.
gravitacinis , dalelės - gravitonai. Itin silpna jėga mikrokosmoso mastu. Tampa matomas tik ant supermasyvių kūnų.

Išlyga dėl gravitacinės sąveikos.
Gravitonų egzistavimas dar nebuvo eksperimentiškai patvirtintas. Jie egzistuoja tik teorinės versijos pavidalu. Standartiniame modelyje daugeliu atvejų į juos neatsižvelgiama.

Tai viskas, standartinis modelis yra surinktas.

Bėdos tik prasidėjo

Nepaisant labai gražaus dalelių atvaizdavimo diagramoje, lieka du klausimai. Iš kur dalelės gauna savo masę ir kas yra Higso bozonas, kuris išsiskiria iš kitų bozonų.

Norėdami suprasti Higso bozono naudojimo idėją, turime kreiptis į kvantinio lauko teoriją. Paprastais žodžiais tariant, galima teigti, kad visas pasaulis, visa Visata susideda ne iš mažiausių dalelių, o iš daugybės skirtingų laukų: gliuono, kvarko, elektroninio, elektromagnetinio ir kt. Visose šiose srityse nuolat vyksta nedideli svyravimai. Tačiau stipriausias iš jų suvokiame kaip elementarias daleles. Taip, ir ši tezė yra labai prieštaringa. Korpuskulinės bangos dualizmo požiūriu tas pats mikrokosmoso objektas skirtingose situacijose elgiasi kaip banga, kartais kaip elementarioji dalelė, priklauso tik nuo to, kaip procesą stebinčiam fizikui patogiau modeliuoti situaciją. .

Higso laukas

Pasirodo, yra vadinamasis Higso laukas, kurio vidurkis nenori eiti iki nulio. Dėl to šis laukas visoje Visatoje bando paimti kokią nors pastovią ne nulinę reikšmę. Laukas sudaro visur esantį ir pastovų foną, dėl kurio Higgso bozonas atsiranda dėl stiprių svyravimų.
Ir būtent Higso lauko dėka dalelės yra aprūpintos mase.
Elementariosios dalelės masė priklauso nuo to, kaip stipriai ji sąveikauja su Higso lauku nuolat skrenda jo viduje.
Ir būtent dėl Higso bozono, o tiksliau dėl jo lauko, standartinis modelis turi tiek daug panašių dalelių grupių. Higgso laukas privertė sukurti daug papildomų dalelių, tokių kaip neutrinai.

Rezultatai

Tai, kas man buvo pasakyta, yra paviršutiniškiausias standartinio modelio prigimties supratimas ir kodėl mums reikia Higso bozono. Kai kurie mokslininkai vis dar giliai tikisi, kad 2012 m. rasta dalelė, kuri atrodo kaip Higso bozonas LHC, buvo tik statistinė klaida. Juk Higso laukas sulaužo daugybę gražių gamtos simetrijų, todėl fizikų skaičiavimai tampa painesni.
Kai kurie netgi mano, kad standartinis modelis išgyvena paskutinius savo metus dėl savo netobulumo. Tačiau tai nebuvo eksperimentiškai įrodyta, o standartinis elementariųjų dalelių modelis išlieka tinkamu žmogaus minties genialumo pavyzdžiu.

Šiuolaikinis dalelių fizikos supratimas yra vadinamasis standartinis modelis . Standartinis dalelių fizikos modelis (SM) yra pagrįstas kvantine elektrodinamika, kvantine chromodinamika ir kvarko-partono modeliu.
Kvantinė elektrodinamika (QED) – didelio tikslumo teorija – aprašo procesus, vykstančius veikiant elektromagnetinėms jėgoms, kurie tiriami labai tiksliai.
Kvantinė chromodinamika (QCD), apibūdinanti stiprių sąveikų procesus, yra sukonstruota pagal analogiją su QED, tačiau didžiąja dalimi yra pusiau empirinis modelis.
Kvarko-partono modelis apjungia dalelių savybių ir jų sąveikos teorinius ir eksperimentinius rezultatus.
Kol kas jokių nukrypimų nuo standartinio modelio nerasta.
Pagrindinis Standartinio modelio turinys pateiktas 1, 2, 3 lentelėse. Medžiagos sudedamosios dalys yra trijų kartų pamatiniai fermionai (I, II, III), kurių savybės pateiktos lentelėje. 1. Fundamentalieji bozonai – sąveikų nešėjai (2 lentelė), kuriuos galima pavaizduoti naudojant Feynman diagramą (1 pav.).

1 lentelė. Fermionai − (pusis sveikasis sukimasis ћ vienetais) medžiagos sudedamosios dalys

	Leptonai, sukimas = 1/2			Kvarkai, sukimas = 1/2
	Aromatas	Svoris, GeV/s 2	Elektrinis mokestis, e	Aromatas	Svoris, GeV/s 2	Elektrinis mokestis, e
aš	v e	< 7·10 -9	0	tu, aukštyn	0.005	2/3
aš	e, elektronas	0.000511	-1	d, žemyn	0.01	-1/3
II	ν μ	< 0.0003	0	c, žavesys	1.5	2/3
II	μ, miuonas	0.106	-1	s, keista	0.2	-1/3
III	ν τ	< 0.03	0	t, viršuje	170	2/3
III	τ, tau	1.7771	-1	b, apačioje	4.7	-1/3

2 lentelė: Bozonai – sąveikos nešėjai (suktis = 0, 1, 2 ... ћ vienetais)

vežėjai sąveikos	Svoris, GeV/s2	Elektrinis mokestis, e
Electroweak sąveika
γ, fotonas, sukinys = 1	0	0
W - , sukimasis = 1	80.22	-1
W + , sukimasis = 1	80.22	+1
Z 0, sukimasis = 1	91.187	0
Stipri (spalvų) sąveika
5, gliuonai, sukimas = 1	0	0
Neatrastų bozonų
H 0, Higsas, sukimasis = 0	> 100	0
G, gravitonas, sukinys = 2	?	0

3 lentelė. Pagrindinių sąveikų lyginamosios charakteristikos

Sąveikos stiprumas nurodomas palyginti su stipriu.

Ryžiai. 1: Feynmano diagrama: A + B = C + D, a yra sąveikos konstanta, Q 2 = -t - 4 - impulsas, kurį dalelė A perduoda dalelei B dėl vienos iš keturių sąveikų tipų.

1.1 Standartinio modelio pagrindai

Hadronai sudaryti iš kvarkų ir gliuonų (partonų). Kvarkai yra fermionai, kurių sukimasis yra 1/2 ir masė m 0; gliuonai yra bozonai, kurių sukinys yra 1, o masė m = 0.
Kvarkai skirstomi į du būdus: skonį ir spalvą. Yra 6 kvarkų skoniai ir 3 spalvos kiekvienam kvarkui.
Skonis yra savybė, kuri išsaugoma stiprioje sąveikoje.
Gliuonas susideda iš dviejų spalvų – spalvos ir antispalvės, o visi kiti jo kvantiniai skaičiai yra lygūs nuliui. Kai išsiskiria gliuonas, kvarkas keičia spalvą, bet ne skonį. Iš viso yra 8 gliuonai.
Elementarūs QCD procesai konstruojami pagal analogiją su QED: gliuono stabdymas kvarku, kvarko ir antikvarko porų gamyba gliuonu. Gliuono gamybos procesas QED neturi analogo.
Statinis gliuono laukas nelinkęs į nulį begalybėje, t.y. bendra tokio lauko energija yra begalinė. Taigi kvarkai negali išskristi iš hadronų; vyksta uždarymas.
Tarp kvarkų veikia traukos jėgos, kurios turi dvi neįprastas savybes: a) asimptotinę laisvę labai mažais atstumais ir b) infraraudonųjų spindulių gaudymą – uždarumą, dėl to, kad potenciali sąveikos energija V(r) auga neribotai didėjant atstumui tarp kvarkų r. , V(r ) = -α s /r + ær, α s ir æ yra konstantos.
Kvarko ir kvarko sąveika nėra adityvi.
Kaip laisvos dalelės gali egzistuoti tik spalviniai pavieniai:
mezono singletas, kuriam banginė funkcija yra pateikta pagal

ir bariono singletas su bangine funkcija

kur R yra raudona, B yra mėlyna, G yra žalia.

Yra srovės ir sudedamųjų kvarkų, kurių masė skiriasi.
Proceso A + B = C + X skerspjūviai, kai kvarkai, sudarantys hadronus, keičiasi vienu gliuonu, rašomi taip:

ŝ = x a x b s, = x a t/x c .

Simboliai a, b, c, d žymi kvarkus ir su jais susijusius kintamuosius, simboliai А, В, С – hadronus, ŝ, , , dydžius, susijusius su kvarkais, žymi kvarkų a pasiskirstymo funkciją hadrone A (arba, atitinkamai, - kvarkai b hadrone B), yra kvarko c suskaidymo į hadronus C funkcija, d/dt yra elementarus sąveikos skerspjūvis qq.

1.2 Ieškoti nukrypimų nuo standartinio modelio

Esant pagreitintų dalelių energijai, visos QCD, o tuo labiau QED nuostatos, galioja gerai. Planuojamuose eksperimentuose su didesnėmis dalelių energijomis viena pagrindinių užduočių – rasti nukrypimus nuo Standartinio modelio.
Tolesnė didelės energijos fizikos plėtra yra susijusi su šių problemų sprendimu:

Ieškokite egzotiškų dalelių, kurių struktūra skiriasi nuo standartiniame modelyje priimtos.
Ieškoti neutrinų svyravimų ν μ ↔ ν τ ir su tuo susijusios neutrino masės problemos (ν m ≠ 0).
Ieškoti protono, kurio gyvavimo laikas įvertintas kaip τ exp > 10 33 metai, skilimo.
Ieškoti pagrindinių dalelių struktūros (stygos, preonai atstumu d< 10 -16 см).
Neribotos hadroninės medžiagos (kvarko-gliuono plazmos) aptikimas.
CP pažeidimo tyrimas neutralių K-mezonų, D-mezonų ir B-dalelių skilimo metu.
Tamsiosios materijos prigimties tyrimas.
Vakuumo sudėties tyrimas.
Ieškokite Higso bozono.
Supersimetrinių dalelių paieška.

1.3 Neišspręsti Standartinio modelio klausimai

Pagrindinė fizikinė teorija, Standartinis elementariųjų dalelių (kvarkų ir leptonų) elektromagnetinės, silpnosios ir stipriosios sąveikos modelis yra visuotinai pripažintas XX amžiaus fizikos pasiekimas. Tai paaiškina visus žinomus eksperimentinius faktus mikropasaulio fizikoje. Tačiau yra keletas klausimų, į kuriuos standartinis modelis neatsako.

Savaiminio elektrosilpno matuoklio invariancijos pažeidimo mechanizmo pobūdis nežinomas.

Norint paaiškinti W ± - ir Z 0 -bozonų masių egzistavimą, į teoriją reikia įtraukti skaliarinius laukus, kurių pagrindinė būsena, vakuumas, yra nekintama matuoklio transformacijų atžvilgiu.
To pasekmė – naujos skaliarinės dalelės – Higso bozono – atsiradimas.

SM nepaaiškina kvantinių skaičių prigimties.

Kas yra krūviai (elektriniai; barionai; leptonai: Le, L μ , L τ : spalva: mėlyna, raudona, žalia) ir kodėl jie kvantuojami?
Kodėl yra 3 pagrindinių fermionų kartos (I, II, III)?

SM neapima gravitacijos, todėl gravitacijos įtraukimo į SM būdas yra nauja hipotezė apie papildomų matmenų egzistavimą mikropasaulio erdvėje.
Nėra paaiškinimo, kodėl pagrindinė Plancko skalė (M ~ 10 19 GeV) yra taip toli nuo pagrindinės elektrosilpnos sąveikos skalės (M ~ 10 2 GeV).

Šiuo metu yra būdų, kaip išspręsti šias problemas. Jį sudaro naujos pagrindinių dalelių struktūros idėjos sukūrimas. Daroma prielaida, kad pagrindinės dalelės yra objektai, kurie paprastai vadinami "stygomis". Stygų savybės nagrinėjamos sparčiai besivystančiame superstygų modelyje, kuris teigia nustatantis ryšį tarp dalelių fizikos ir astrofizikos reiškinių. Šis ryšys paskatino suformuluoti naują discipliną – elementariųjų dalelių kosmologiją.

Standartinis elementariųjų dalelių modelis laikomas didžiausiu XX amžiaus antrosios pusės fizikos pasiekimu. Bet kas slypi už jos ribų?

Standartinis elementariųjų dalelių modelis (SM), pagrįstas matuoklio simetrija, yra puikus Murray Gell-Mann, Sheldon Glashow, Steven Weinberg, Abdus Salam ir visos nuostabių mokslininkų galaktikos kūrinys. SM puikiai apibūdina kvarkų ir leptonų sąveiką 10–17 m atstumu (1% protono skersmens), kurią galima ištirti šiuolaikiniuose greitintuvuose. Tačiau jis pradeda slysti jau 10-18 m atstumu ir juo labiau nesuteikia pažengimo į geidžiamą 10-35 m Planck skalę.

Manoma, kad būtent ten visos pagrindinės sąveikos susilieja į kvantinę vienybę. SM kada nors pakeis išsamesnė teorija, kuri, greičiausiai, taip pat nebus paskutinė ir paskutinė. Mokslininkai bando rasti pakaitalą standartiniam modeliui. Daugelis mano, kad nauja teorija bus sukurta išplečiant simetrijų, sudarančių SM pagrindą, sąrašą. Vienas iš perspektyviausių šios problemos sprendimo būdų buvo nustatytas ne tik dėl SM problemų, bet ir prieš jos sukūrimą.

Dalelės, atitinkančios Fermi-Dirac statistiką (fermionai su pusės sveikojo skaičiaus sukimu) ir Bose-Einstein (bozonai su sveikuoju skaičiumi). Energetiniame šulinyje visi bozonai gali užimti tą patį žemesnį energijos lygį, sudarydami Bose-Einšteino kondensatą. Kita vertus, fermionai paklūsta Pauli išskyrimo principui, todėl dvi dalelės, turinčios tuos pačius kvantinius skaičius (ypač vienakrypčius sukimus), negali užimti to paties energijos lygio.

Priešingybių mišinys

Septintojo dešimtmečio pabaigoje FIAN teorinės katedros vyresnysis mokslo darbuotojas Jurijus Golfandas pasiūlė savo absolventui Jevgenijui Likhtmanui apibendrinti matematinį aparatą, naudojamą specialiosios reliatyvumo teorijos (Minkovskio erdvės) keturmačio erdvėlaikio simetrijoms apibūdinti.

Lichtmanas nustatė, kad šias simetrijas galima derinti su vidinėmis kvantinių laukų simetrijomis su nuliniais sukiniais. Tokiu atveju susidaro šeimos (multipletai), jungiančios vienodos masės daleles, turinčias sveikųjų ir pusiau sveikųjų skaičių sukinį (kitaip tariant, bozonus ir fermionus). Tai buvo ir nauja, ir nesuprantama, nes abiems taikomos skirtingos kvantinės statistikos rūšys. Bozonai gali kauptis toje pačioje būsenoje, o fermionai vadovaujasi Pauli principu, kuris griežtai draudžia net tokio pobūdžio porines sąjungas. Todėl bozono-fermiono kartotinių atsiradimas atrodė kaip matematinė egzotika, neturinti nieko bendra su tikra fizika. Taip tai buvo suvokiama FIAN. Vėliau savo „Atsiminimuose“ Andrejus Sacharovas bozonų ir fermionų sujungimą pavadino puikia idėja, tačiau tuo metu jam tai neatrodė įdomu.

Už standarto ribų

Kur yra SM ribos? „Standartinis modelis atitinka beveik visus duomenis, gautus naudojant didelės energijos greitintuvus. - aiškina Rusijos mokslų akademijos Branduolinių tyrimų instituto vadovaujantis mokslininkas Sergejus Troickis. „Tačiau eksperimentų, liudijančių apie masės buvimą dviejų tipų neutrinuose, o galbūt ir visuose trijuose, rezultatai nelabai telpa į jos rėmus. Šis faktas reiškia, kad SM reikia plėsti, o kokiame – niekas tikrai nežino. Astrofiziniai duomenys taip pat rodo SM neužbaigtumą. Tamsioji medžiaga, kuri sudaro daugiau nei penktadalį Visatos masės, susideda iš sunkiųjų dalelių, kurios netelpa į SM. Beje, šią materiją tiksliau būtų vadinti ne tamsia, o skaidria, nes ji ne tik neskleidžia šviesos, bet ir jos nesugeria. Be to, SM nepaaiškina beveik visiško antimedžiagos nebuvimo stebimoje visatoje.
Yra ir estetinių prieštaravimų. Kaip pažymi Sergejus Troickis, SM yra labai negraži. Jame yra 19 skaitinių parametrų, kurie nustatomi eksperimentu ir, sveiko proto požiūriu, įgauna labai egzotiškas reikšmes. Pavyzdžiui, Higso lauko, atsakingo už elementariųjų dalelių mases, vakuuminis vidurkis yra 240 GeV. Neaišku, kodėl šis parametras yra 1017 kartų mažesnis už parametrą, lemiantį gravitacinę sąveiką. Norėčiau turėti išsamesnę teoriją, kuri leistų nustatyti šį ryšį pagal kai kuriuos bendruosius principus.
SM taip pat nepaaiškina milžiniško skirtumo tarp lengviausių kvarkų, sudarančių protonus ir neutronus, masių ir viršutinio kvarko masės, viršijančios 170 GeV (visais kitais atžvilgiais jis niekuo nesiskiria nuo u-kvarko). , kuris yra beveik 10 000 kartų lengvesnis). Vis dar neaišku, iš kur atsiranda tokios skirtingos masės, atrodytų, identiškos dalelės.

Lichtmanas apgynė disertaciją 1971 m., tada įstojo į VINITI ir beveik atsisakė teorinės fizikos. Golfandas buvo atleistas iš FIAN dėl atleidimo ir ilgą laiką negalėjo susirasti darbo. Tačiau Ukrainos fizikos ir technologijos instituto darbuotojai Dmitrijus Volkovas ir Vladimiras Akulovas taip pat atrado simetriją tarp bozonų ir fermionų ir netgi panaudojo ją apibūdindami neutrinus. Tiesa, laurų tuo metu nenuskynė nei maskviečiai, nei charkoviečiai. Tik 1989 metais Golfandas ir Likhtmanas gavo I.E. Tamm. 2009 m. Volodymyras Akulovas (dabar dėsto fiziką Niujorko miesto universiteto technikos koledže) ir Dmitrijus Volkovas (po mirties) buvo apdovanoti Ukrainos nacionaline premija už mokslinius tyrimus.

Standartinio modelio elementarios dalelės pagal statistikos tipą skirstomos į bozonus ir fermionus. Sudėtinės dalelės – hadronai – gali paklusti Bose-Einstein statistikai (įskaitant mezonus – kaonus, pionus), arba Fermi-Dirac statistiką (barionai – protonai, neutronai).

Supersimetrijos gimimas

Vakaruose bozoninių ir fermioninių būsenų mišiniai pirmą kartą atsirado besiformuojančioje teorijoje, kuri elementariąsias daleles vaizduoja ne kaip taškinius objektus, o kaip vienmačių kvantinių stygų virpesius.

1971 m. buvo sukurtas modelis, kuriame kiekviena bozono tipo vibracija buvo sujungta su suporuota fermionine vibracija. Tiesa, šis modelis veikė ne Minkovskio keturmatėje erdvėje, o stygų teorijų dvimatėje erdvėlaikyje. Tačiau jau 1973 metais austras Julius Wessas ir italas Bruno Zumino pranešė CERN (o po metų paskelbė straipsnį) apie keturių dimensijų supersimetrinį modelį su vienu bozonu ir vienu fermionu. Ji nepretendavo apibūdinti elementariųjų dalelių, o supersimetrijos galimybes pademonstravo aiškiu ir itin fiziniu pavyzdžiu. Netrukus tie patys mokslininkai įrodė, kad jų atrasta simetrija buvo išplėstinė Golfando ir Lichtmano simetrijos versija. Taigi paaiškėjo, kad per trejus metus supersimetriją Minkovskio erdvėje savarankiškai atrado trys fizikų poros.

Wesso ir Zumino rezultatai paskatino sukurti teorijas apie bozono ir fermiono mišinius. Kadangi šios teorijos matuoklio simetriją sieja su erdvės ir laiko simetrija, jos buvo vadinamos supergauge, o vėliau – supersimetrinėmis. Jie numato daugelio dalelių egzistavimą, iš kurių nė viena dar nebuvo atrasta. Taigi realaus pasaulio supersimetrija vis dar yra hipotetinė. Bet net jei jis egzistuoja, jis negali būti griežtas, kitaip elektronai būtų įkrovę bozoninius pusbrolius, kurių masė būtų lygiai tokia pati, kurią būtų galima lengvai aptikti. Belieka manyti, kad žinomų dalelių supersimetriniai partneriai yra itin masyvūs, ir tai įmanoma tik sulaužius supersimetriją.

Supersimetrinė ideologija įsigaliojo aštuntojo dešimtmečio viduryje, kai jau egzistavo Standartinis modelis. Natūralu, kad fizikai pradėjo kurti jos supersimetrinius plėtinius, kitaip tariant, įvesti į jį simetriją tarp bozonų ir fermionų. Pirmąją tikrovišką supersimetrinio standartinio modelio versiją, vadinamą minimaliu supersimetriniu standartiniu modeliu (MSSM), 1981 m. pasiūlė Howardas Georgi ir Savas Dimopoulos. Tiesą sakant, tai yra tas pats standartinis modelis su visomis jo simetrijomis, tačiau prie kiekvienos dalelės yra pridėtas partneris, kurio sukimasis skiriasi nuo jo sukimosi ½, bozonas – fermionas, o fermionas – bozonas.

Todėl visos SM sąveikos lieka vietoje, bet yra praturtintos naujų dalelių sąveikos su senosiomis ir tarpusavyje. Vėliau atsirado ir sudėtingesnės supersimetrinės SM versijos. Visi jie lygina jau žinomas daleles su tais pačiais partneriais, tačiau supersimetrijos pažeidimus aiškina skirtingai.

Dalelės ir superdalelės

Fermionų superpartnerių pavadinimai konstruojami naudojant priešdėlį „s“ – elektronas, smuonas, skvarkas. Bozonų superpartneriai įgauna galūnę „ino“: fotonas – fotonas, gluonas – gluino, Z-bozonas – zino, W-bozonas – vynas, Higso bozonas – higgsino.

Bet kurios dalelės superpartnerio sukimasis (išskyrus Higso bozoną) visada yra ½ mažesnis nei jo paties sukinys. Vadinasi, elektrono partneriai, kvarkai ir kiti fermionai (taip pat, žinoma, jų antidalelės) turi nulinį sukimąsi, o fotono ir vektoriaus bozonų partneriai su vienetiniu sukimu turi pusę. Taip yra dėl to, kad kuo didesnis dalelės būsenų skaičius, tuo didesnis jos sukimasis. Todėl atimtį pakeitus pridėjimu, atsiras pertekliniai superpartneriai.

Kairėje yra elementariųjų dalelių standartinis modelis (SM): fermionai (kvarkai, leptonai) ir bozonai (sąveikos nešėjai). Dešinėje yra jų superpartneriai minimaliame supersimetriniame standartiniame modelyje MSSM: bozonai (skvarkai, sleeponai) ir fermionai (jėgų nešėjų superpartneriai). Penki Higso bozonai (schemoje pažymėti vienu mėlynu simboliu) taip pat turi savo superpartnerius – Higgsino penketuką.

Paimkime elektroną kaip pavyzdį. Jis gali būti dviejų būsenų – vienoje jo sukinys nukreiptas lygiagrečiai impulsui, kitoje – antilygiagretus. SM požiūriu tai yra skirtingos dalelės, nes jos ne visai vienodai dalyvauja silpnoje sąveikoje. Dalelė, kurios sukinys yra vienetas ir kurios masė nėra nulinė, gali egzistuoti trijose skirtingose būsenose (kaip teigia fizikai, ji turi tris laisvės laipsnius), todėl netinka partneriams su elektronu. Vienintelė išeitis – kiekvienai elektrono būsenai priskirti po vieną sukinio-nulio superpartnerį ir laikyti šiuos elektronus skirtingomis dalelėmis.

Standartinio modelio bozonų superpartneriai yra šiek tiek sudėtingesni. Kadangi fotono masė lygi nuliui, net ir su vienetiniu sukimu jis turi ne tris, o du laisvės laipsnius. Todėl jam nesunkiai galima priskirti fototiną – pusiau sukinį superpartnerį, kuris, kaip ir elektronas, turi du laisvės laipsnius. Gluinos atsiranda pagal tą pačią schemą. Su Higgsu padėtis yra sudėtingesnė. MSSM turi du Higgso bozonų dubletus, kurie atitinka keturis superpartnerius – du neutralius ir du priešingai įkrautus Higgsinus. Neutraliai įvairiais būdais susimaišo su fotono ir zino ir sudaro keturias fiziškai stebimas daleles, turinčias bendrą pavadinimą neutralino. Panašūs mišiniai su keistu rusų ausiai pavadinimu chargino (angliškai – chargino) sudaro teigiamų ir neigiamų W-bozonų superpartnerius ir įkrautų Higsų poras.

Situacija su neutrinų superpartneriais taip pat turi savo specifiką. Jei ši dalelė neturėtų masės, jos sukimasis visada būtų priešinga impulso kryptimi. Todėl bemasis neutrinas turėtų vieną skaliarinį partnerį. Tačiau tikrieji neutrinai vis dar nėra bemasiai. Gali būti, kad yra ir neutrinų su lygiagrečiais momentais ir sukimais, tačiau jie yra labai sunkūs ir dar nebuvo atrasti. Jei tai tiesa, tada kiekvienas neutrino tipas turi savo superpartnerį.

Pasak Mičigano universiteto fizikos profesoriaus Gordono Kane'o, universaliausias supersimetrijos nutraukimo mechanizmas yra susijęs su gravitacija.

Tačiau jo indėlio į superdalelių mases dydis dar nėra išaiškintas, o teoretikų vertinimai yra prieštaringi. Be to, vargu ar jis vienintelis. Taigi „Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model“ (NMSSM) pristato dar du Higgso bozonus, kurie prisideda prie superdalelių masės (taip pat padidina neutralinų skaičių nuo keturių iki penkių). Tokia situacija, pažymi Kane'as, dramatiškai padidina parametrų, įtrauktų į supersimetrines teorijas, skaičių.

Net minimalus Standartinio modelio išplėtimas reikalauja apie šimto papildomų parametrų. Tai neturėtų stebinti, nes visos šios teorijos įveda daug naujų dalelių. Atsiradus išsamesniems ir nuoseklesniems modeliams, parametrų skaičius turėtų mažėti. Kai tik Didžiojo hadronų greitintuvo detektoriai užfiksuos superdaleles, nauji modeliai neleis jūsų laukti.

Dalelių hierarchija

Supersimetrinės teorijos leidžia pašalinti kai kuriuos standartinio modelio trūkumus. Profesorius Kane'as į pirmą planą iškelia Higso bozono mįslę, kuri vadinama hierarchijos problema..

Ši dalelė įgyja masę sąveikaudama su leptonais ir kvarkais (kaip ir jie patys įgyja masę sąveikaudami su Higso lauku). SM šių dalelių įnašai yra pavaizduoti skirtingomis eilutėmis su begalinėmis sumomis. Tiesa, bozonų ir fermionų indėlis turi skirtingus ženklus ir iš esmės gali beveik visiškai panaikinti vienas kitą. Tačiau toks išnykimas turėtų būti beveik idealus, nes dabar žinoma, kad Higgso masė yra tik 125 GeV. Tai nėra neįmanoma, bet labai mažai tikėtina.

Dėl supersimetrinių teorijų nėra ko jaudintis. Esant tiksliai supersimetrijai, paprastų dalelių ir jų superpartnerių indėlis turi visiškai kompensuoti vienas kitą. Kadangi supersimetrija yra pažeista, kompensacija pasirodo neišsami, o Higso bozonas įgyja baigtinę ir, svarbiausia, apskaičiuojamą masę. Jei superpartnerių masės nėra per didelės, ji turėtų būti matuojama nuo vieno iki dviejų šimtų GeV, o tai tiesa. Kaip pabrėžia Kane'as, fizikai pradėjo rimtai žiūrėti į supersimetriją, kai buvo įrodyta, kad ji išsprendžia hierarchijos problemą.

Supersimetrijos galimybės tuo nesibaigia. Iš SM išplaukia, kad labai didelių energijų srityje stipriosios, silpnosios ir elektromagnetinės sąveikos, nors jų stiprumas yra maždaug vienodas, niekada nesusijungia. Ir supersimetriniuose modeliuose, kurių energija yra 1016 GeV, tokia sąjunga vyksta ir atrodo daug natūraliau. Šie modeliai taip pat siūlo tamsiosios medžiagos problemos sprendimą. Skilimo metu iš superdalelių susidaro ir superdalelės, ir paprastos dalelės – žinoma, mažesnės masės. Tačiau supersimetrija, priešingai nei SM, leidžia greitai skilti protonui, o tai, mūsų laimei, iš tikrųjų nevyksta.

Protoną, o kartu ir visą aplinkinį pasaulį, galima išgelbėti darant prielaidą, kad procesuose, kuriuose dalyvauja superdalelės, išsaugomas R-pariteto kvantinis skaičius, kuris įprastoms dalelėms yra lygus vienetui, o superpartneriams – vienas. Tokiu atveju lengviausia superdalelė turi būti visiškai stabili (ir elektriškai neutrali). Pagal apibrėžimą jis negali suirti į superdaleles, o R-pariteto išsaugojimas neleidžia suirti į daleles. Tamsiąją materiją gali sudaryti būtent tokios dalelės, kurios atsirado iškart po Didžiojo sprogimo ir išvengė abipusio sunaikinimo.

Laukiam eksperimentų

„Netrukus prieš Higso bozono atradimą, remiantis M teorija (pažangiausia stygų teorijos versija), jo masė buvo prognozuojama su vos dviejų procentų paklaida! Profesorius Kane'as sako. — Taip pat apskaičiavome elektronų, smuonų ir skvarkų mases, kurios šiuolaikiniams greitintuvams pasirodė per didelės — kelių dešimčių TeV. Fotono, gliuono ir kitų matuoklio bozonų superpartneriai yra daug lengvesni, todėl gali būti aptikti LHC.

Žinoma, šių skaičiavimų teisingumo niekas negarantuoja: M teorija yra subtilus dalykas. Ir vis dėlto, ar įmanoma aptikti superdalelių pėdsakus ant greitintuvų? „Masyvios superdalelės turėtų suirti iš karto po gimimo. Šie skilimai vyksta įprastų dalelių skilimo fone ir labai sunku juos vienareikšmiškai išskirti“, – aiškina JINR Dubnoje Teorinės fizikos laboratorijos vyriausiasis mokslo darbuotojas Dmitrijus Kazakovas. „Būtų idealu, jei superdalelės pasireikštų savitu būdu, kurio negalima supainioti su niekuo kitu, tačiau teorija to nenumato.

Reikia išanalizuoti daugybę skirtingų procesų ir tarp jų ieškoti tų, kurie nėra iki galo paaiškinti standartiniu modeliu. Šios paieškos iki šiol buvo nesėkmingos, tačiau jau turime limitus superpartnerių masėms. Tie, kurie dalyvauja stiprioje sąveikoje, turėtų traukti bent 1 TeV, o kitų superdalelių masės gali svyruoti nuo dešimčių iki šimtų GeV.

2012 m. lapkritį simpoziume Kiote buvo pranešta apie LHC eksperimentų rezultatus, kurių metu pirmą kartą buvo galima patikimai užregistruoti labai retą Bs mezono skilimą į miuoną ir antimuoną. Jo tikimybė yra maždaug trys milijardosios dalys, o tai gerai sutampa su SM prognozėmis. Kadangi numatoma šio skilimo tikimybė, apskaičiuota pagal MSSM, gali būti kelis kartus didesnė, kai kurie nusprendė, kad supersimetrija baigėsi.

Tačiau tokia tikimybė priklauso nuo kelių nežinomų parametrų, kurie gali turėti tiek didelį, tiek mažą indėlį į galutinį rezultatą, čia dar yra daug neaiškumų. Todėl nieko baisaus neįvyko, o gandai apie MSSM mirtį yra gerokai perdėti. Bet tai nereiškia, kad ji nenugalima. LHC dar neveikia visu pajėgumu, jį pasieks tik po dvejų metų, kai protonų energija bus padidinta iki 14 TeV. Ir jei tada nebus superdalelių apraiškų, greičiausiai MSSM mirs natūralia mirtimi ir ateis laikas naujiems supersimetriniams modeliams.

Grassmanno skaičiai ir supergravitacija

Dar prieš sukuriant MSSM supersimetrija buvo derinama su gravitacija. Pakartotinai taikant transformacijas, jungiančias bozonus ir fermionus, dalelė perkeliama erdvėlaikyje. Tai leidžia susieti erdvės ir laiko metrikos, kuri pagal bendrąją reliatyvumo teoriją yra gravitacijos priežastis, supersimetrijas ir deformacijas. Kai fizikai tai suprato, jie pradėjo kurti supersimetrinius bendrosios reliatyvumo apibendrinimus, kurie vadinami supergravitacija. Ši teorinės fizikos sritis dabar aktyviai vystosi.
Tuo pačiu metu paaiškėjo, kad supersimetrinėms teorijoms reikia egzotiškų skaičių, kuriuos XIX amžiuje išrado vokiečių matematikas Hermannas Günteris Grassmannas. Juos galima sudėti ir atimti kaip įprasta, tačiau tokių skaičių sandauga keičia ženklą, kai faktoriai pertvarkomi (todėl Grassmanno skaičiaus kvadratas ir apskritai bet koks sveikasis skaičius lygus nuliui). Natūralu, kad tokių skaičių funkcijos negali būti diferencijuojamos ir integruojamos pagal standartines matematinės analizės taisykles, reikalingi visai kiti metodai. Ir, laimei, supersimetrinėms teorijoms jos jau buvo rastos. Juos septintajame dešimtmetyje išrado puikus sovietų matematikas iš Maskvos valstybinio universiteto Feliksas Berezinas, sukūręs naują kryptį – supermatematiką.

Tačiau yra ir kita strategija, nesusijusi su LHC. Kol CERN veikė LEP elektronų-pozitronų greitintuvas, jie ieškojo lengviausių įkrautų superdalelių, kurių skilimo metu turėtų atsirasti lengviausi superpartneriai. Šias pirmtakų daleles lengviau aptikti, nes jos yra įkrautos, o lengviausias superpartneris yra neutralus. LEP eksperimentai parodė, kad tokių dalelių masė neviršija 104 GeV. Tai nėra daug, bet juos sunku aptikti LHC dėl didelio fono. Todėl dabar vyksta judėjimas, skirtas jų paieškai sukurti itin galingą elektronų-pozitronų greitintuvą. Bet tai labai brangus automobilis ir tikrai greitai nebus pastatytas“.

Uždarymai ir atidarymai

Tačiau, pasak Minesotos universiteto teorinės fizikos profesoriaus Michailo Shifmano, išmatuota Higso bozono masė yra per didelė MSSM, o šis modelis greičiausiai jau uždarytas:

„Tiesa, ją bandoma gelbėti pasitelkus įvairius antstatus, bet jie tokie neelegantiški, kad mažai šansų pasisekti. Gali būti, kad veiks ir kiti plėtiniai, bet kada ir kaip dar nežinoma. Tačiau šis klausimas peržengia grynąjį mokslą. Dabartinis didelės energijos fizikos finansavimas priklauso nuo vilties LHC atrasti kažką tikrai naujo. Jei taip neatsitiks, finansavimas bus apkarpytas, o pinigų neužteks statyti naujos kartos greitintuvus, be kurių šis mokslas tikrai negalės vystytis“. Taigi supersimetrinės teorijos vis dar žada, tačiau jos laukia eksperimentuotojų verdikto.