Príklady fyzikálnych systémov reprezentovaných časticovými modelmi. Štandardný model základných interakcií. Uzávery a otvory

Nedávny objav tímu vedcov pod vedením Joaquima Mathiasa po prvý raz vážne otriasol základom modernej časticovej fyziky, konkrétne štandardného modelu. Vedcom sa podarilo predpovedať neštandardný variant rozpadu častice B-mezónu, s ktorým tento model nepočíta. Navyše, takmer okamžite sa ich odhady experimentálne potvrdili.

Treba poznamenať, že v posledných rokoch fyzici, ktorí sa zaoberajú štúdiom elementárnych častíc, čoraz viac hovoria, že táto disciplína je už príliš malá v rámci štandardného modelu, ktorý pozná každý. Zaregistrovaných je totiž už veľa javov, ktoré sa v jeho rámci ťažko vysvetľujú. Tento model napríklad nedokáže predpovedať, ktoré častice môžu tvoriť tmavú hmotu, a tiež neodpovedá na otázku, ktorá vedcov už dlho trápi – prečo je v našom Vesmíre viac hmoty ako antihmoty (baryónová asymetria). A erzionská interpretácia procesu studenej transmutácie jadier, o ktorej sme písali nie tak dávno, tiež presahuje „akciu“ toho istého Štandardného modelu.

Napriek tomu sa väčšina fyzikov stále drží tohto konkrétneho spôsobu vysvetľovania záhadného života elementárnych častíc. Čiastočne kvôli tomu, že doteraz nikto nič lepšie nevytvoril, čiastočne preto, že väčšina predpovedí Štandardného modelu má stále experimentálne potvrdenie (čo sa o alternatívnych hypotézach povedať nedá). Navyše až donedávna nebolo možné pri pokusoch nájsť žiadne vážne odchýlky od tohto modelu. Zdá sa však, že sa to nestalo tak dávno. To by mohlo znamenať zrod úplne novej teórie časticovej fyziky, v ktorej bude súčasný Štandardný model vyzerať ako špeciálny prípad, rovnako ako Newtonova teória univerzálnej gravitácie vyzerá ako špeciálny prípad gravitácie v rámci všeobecnej relativity.

Všetko to začalo tým, že medzinárodná skupina fyzikov vedená Joaquimom Mathiasom urobila niekoľko predpovedí o tom, aké odchýlky v pravdepodobnosti rozpadu B-mezónu by sa mohli odchyľovať od štandardného modelu a naznačovať novú fyziku. Pripomínam, že B-mezón je častica pozostávajúca z b-kvarku a d-antikvarku. Podľa ustanovení Štandardného modelu sa táto častica môže rozpadnúť na mión (záporne nabitá častica, v skutočnosti veľmi ťažký elektrón) a antimión, hoci pravdepodobnosť takejto udalosti nie je príliš vysoká. Minulý rok však na konferencii v Kjóte fyzici pracujúci na Veľkom hadrónovom urýchľovači oznámili, že sú schopní zaznamenať stopy takéhoto rozpadu (a s pravdepodobnosťou, ktorá bola teoreticky predpovedaná).

Matthiasova skupina usúdila, že tento mezón by sa mal rozpadať trochu inak - na pár miónov a zatiaľ neznámu časticu K *, ktorá sa takmer okamžite rozpadne na kaón a pión (dva ľahšie mezóny). Je pozoruhodné, že vedci informovali o výsledkoch svojho výskumu 19. júla na stretnutí Európskej fyzikálnej spoločnosti a ďalší rečník z tých, ktorí vystúpili na tomto podujatí (bol to fyzik Nicolas Serra zo spolupráce LHCb z Veľkého hadrónu Collider) oznámil, že jeho skupine sa podarilo opraviť stopy po takýchto poruchách. Navyše, experimentálne výsledky skupiny Serra sa takmer úplne zhodovali s odchýlkami predpovedanými v správe Dr. Matthiasa a jeho spoluautorov!

Zaujímavé je, že fyzici tieto výsledky vyhodnocujú so štatistickou významnosťou 4,5σ, čo znamená, že spoľahlivosť opísanej udalosti je veľmi, veľmi vysoká. Dovoľte mi pripomenúť, že experimentálny dôkaz troch σ sa považuje za výsledky významného významu a päť σ sa považuje za osvedčený objav – toto je hodnota významnosti priradená výsledkom minuloročných experimentov, ktoré napokon našli stopy o existencii Higgsovho bozónu.

Sám doktor Matthias sa však domnieva, že so závermi sa zatiaľ netreba unáhliť. "Na potvrdenie týchto výsledkov budú potrebné dodatočné teoretické štúdie, ako aj nové merania. Ak však budú naše závery skutočne správne, budeme čeliť prvému priamemu potvrdeniu existencie novej fyziky - teórie všeobecnejšej ako všeobecne známe akceptoval štandardný model. Ak by Higgsov bozón konečne umožnil skladačku štandardného modelu, tieto výsledky by mohli byť prvým dielom novej skladačky – oveľa väčšej,“ hovorí vedec.

štandardný model je moderná teória štruktúry a interakcií elementárnych častíc, opakovane overená experimentálne. Táto teória je založená na veľmi malom počte postulátov a umožňuje teoreticky predpovedať vlastnosti tisícok rôznych procesov vo svete elementárnych častíc. V drvivej väčšine prípadov sú tieto predpovede potvrdené experimentom, niekedy s mimoriadne vysokou presnosťou, a tie zriedkavé prípady, keď predpovede štandardného modelu nesúhlasia so skúsenosťami, sa stávajú predmetom búrlivých diskusií.

Štandardný model je hranica, ktorá oddeľuje spoľahlivo známe od hypotetického vo svete elementárnych častíc. Napriek pôsobivému úspechu pri popisovaní experimentov nemožno Štandardný model považovať za konečnú teóriu elementárnych častíc. Fyzici sú si tým istí musí byť súčasťou nejakej hlbšej teórie štruktúry mikrosveta. Čo je to za teóriu, zatiaľ nie je isté. Teoretici vyvinuli veľké množstvo kandidátov na takúto teóriu, ale iba experiment by mal ukázať, ktorý z nich zodpovedá skutočnej situácii, ktorá sa vyvinula v našom Vesmíre. To je dôvod, prečo fyzici vytrvalo hľadajú akékoľvek odchýlky od Štandardného modelu, akékoľvek častice, sily alebo efekty, ktoré štandardný model nepredpovedá. Všetky tieto javy vedci súhrnne nazývajú „nová fyzika“; presne tak hľadať Novú fyziku a je hlavnou úlohou Veľkého hadrónového urýchľovača.

Hlavné komponenty štandardného modelu

Pracovným nástrojom Štandardného modelu je kvantová teória poľa – teória, ktorá nahrádza kvantovú mechaniku pri rýchlostiach blízkych rýchlosti svetla. Kľúčovými objektmi v ňom nie sú častice, ako v klasickej mechanike, a nie „časticové vlny“, ako v kvantovej mechanike, ale kvantové polia: elektronický, miónový, elektromagnetický, kvarkový atď. – jeden pre každú paletu „entít mikrosveta“.

Ako vákuum, tak aj to, čo vnímame ako samostatné častice, aj zložitejšie útvary, ktoré sa nedajú zredukovať na samostatné častice – to všetko sa opisuje ako rôzne stavy polí. Keď fyzici používajú slovo „častica“, v skutočnosti majú na mysli tieto stavy polí a nie jednotlivé bodové objekty.

Štandardný model obsahuje nasledujúce hlavné zložky:

• Súbor základných "tehál" hmoty - šesť druhov leptónov a šesť druhov kvarkov. Všetky tieto častice sú spin 1/2 fermióny a veľmi prirodzene sa organizujú do troch generácií. Početné hadróny - zložené častice zapojené do silnej interakcie - sú zložené z kvarkov v rôznych kombináciách.
• Tri druhy síl pôsobiace medzi fundamentálnymi fermiónmi – elektromagnetickými, slabými a silnými. Slabé a elektromagnetické interakcie sú dve strany toho istého elektroslabá interakcia. Silná sila stojí oddelene a je to práve táto sila, ktorá viaže kvarky do hadrónov.
• Všetky tieto sily sú opísané na základe princíp meradla- nie sú zavedené do teórie „nasilu“, ale zdá sa, že vznikajú samy od seba v dôsledku požiadavky, aby teória bola symetrická vzhľadom na určité transformácie. Oddelené typy symetrie spôsobujú silné a elektroslabé interakcie.
• Napriek tomu, že v samotnej teórii existuje elektroslabá symetria, v našom svete sa spontánne porušuje. Spontánne narušenie elektroslabej symetrie- nevyhnutný prvok teórie a v rámci štandardného modelu k porušeniu dochádza v dôsledku Higgsovho mechanizmu.
• Číselné hodnoty pre asi dve desiatky konštánt: toto sú hmotnosti základných fermiónov, číselné hodnoty väzbových konštánt interakcií, ktoré charakterizujú ich silu, a niektoré ďalšie veličiny. Všetky sú raz a navždy extrahované z porovnania so skúsenosťami a v ďalších výpočtoch sa už neupravujú.

Okrem toho je štandardný model renormalizovateľnou teóriou, to znamená, že všetky tieto prvky sú do neho zavedené takým samokonzistentným spôsobom, ktorý v zásade umožňuje vykonávať výpočty s požadovaným stupňom presnosti. Často sa však výpočty s požadovaným stupňom presnosti ukážu ako neúnosne zložité, ale to nie je problém samotnej teórie, ale skôr našich výpočtových schopností.

Čo štandardný model dokáže a čo nie

Štandardný model je v mnohých ohľadoch deskriptívna teória. Nedáva odpovede na mnohé otázky, ktoré začínajú „prečo“: prečo je tam toľko častíc a práve tieto? odkiaľ sa vzali tieto interakcie a presne s takýmito vlastnosťami? Prečo príroda potrebovala vytvoriť tri generácie fermiónov? Prečo sú číselné hodnoty parametrov úplne rovnaké? Okrem toho štandardný model nedokáže opísať niektoré javy pozorované v prírode. Predovšetkým nemá miesto pre hmoty neutrín a častice tmavej hmoty. Štandardný model neberie do úvahy gravitáciu a nie je známe, čo sa stane s touto teóriou na Planckovej stupnici energií, keď sa gravitácia stane mimoriadne dôležitou.

Ak sa však štandardný model použije na zamýšľaný účel, na predpovedanie výsledkov zrážok elementárnych častíc, potom umožňuje v závislosti od konkrétneho procesu vykonávať výpočty s rôznym stupňom presnosti.

• Pre elektromagnetické javy (rozptyl elektrónov, energetické hladiny) môže presnosť dosiahnuť častice na milión alebo dokonca lepšie. Rekord tu drží anomálny magnetický moment elektrónu, ktorý je vypočítaný s presnosťou lepšou ako jedna miliardtina.
• Mnoho vysokoenergetických procesov, ktoré prebiehajú v dôsledku elektroslabých interakcií, sa vypočítava s presnosťou vyššou ako percento.
• Najhoršia zo všetkého je silná interakcia pri nie príliš vysokých energiách. Presnosť výpočtu takýchto procesov sa značne líši: v niektorých prípadoch môže dosiahnuť percento, v iných prípadoch môžu rôzne teoretické prístupy poskytnúť niekoľkonásobne odlišné odpovede.

Je potrebné zdôrazniť, že skutočnosť, že niektoré procesy je ťažké vypočítať s požadovanou presnosťou, neznamená, že „teória je zlá“. Len je to veľmi komplikované a súčasné matematické techniky ešte nestačia na to, aby vystopovali všetky jeho dôsledky. Najmä jeden zo slávnych matematických problémov tisícročia sa týka problému uzavretia v kvantovej teórii s neabelovskou interakciou meradiel.

Doplnková literatúra:

• Základné informácie o Higgsovom mechanizme možno nájsť v knihe L. B. Okuna „Fyzika elementárnych častíc“ (na úrovni slov a obrázkov) a „Leptóny a kvarky“ (na vážnej, no prístupnej úrovni).

„Zaujímalo by nás, prečo by skupina talentovaných a oddaných ľudí zasvätila svoje životy naháňaniu sa za takými drobnými predmetmi, že ich ani nemožno vidieť? V skutočnosti sa na hodinách časticovej fyziky prejavuje ľudská zvedavosť a túžba zistiť, ako funguje svet, v ktorom žijeme.” Sean Carroll

Ak sa ešte stále bojíte slovného spojenia kvantová mechanika a stále neviete, čo je štandardný model – vitajte v kat. Vo svojej publikácii sa pokúsim čo najjednoduchšie a najzrozumiteľnejšie vysvetliť základy kvantového sveta, ako aj fyziku elementárnych častíc. Pokúsime sa prísť na to, aké sú hlavné rozdiely medzi fermiónmi a bozónmi, prečo majú kvarky také zvláštne mená a nakoniec, prečo všetci tak túžili nájsť Higgsov bozón.

Z čoho sme?

Našu cestu do mikrokozmu začneme jednoduchou otázkou: z čoho pozostávajú predmety okolo nás? Náš svet, podobne ako dom, pozostáva z mnohých malých tehál, ktoré keď sa špeciálnym spôsobom spoja, vytvoria niečo nové nielen vzhľadom, ale aj svojimi vlastnosťami. V skutočnosti, ak sa na ne pozriete pozorne, zistíte, že nie je toľko rôznych typov blokov, je to len o tom, že zakaždým sa navzájom spájajú rôznymi spôsobmi a vytvárajú nové formy a javy. Každý blok je nedeliteľná elementárna častica, o ktorej bude reč v mojom príbehu.

Napríklad, zoberme si nejakú látku, nech je to druhý prvok periodického systému Mendelejeva, inertný plyn, hélium. Rovnako ako iné látky vo vesmíre, aj hélium sa skladá z molekúl, ktoré sú zase tvorené väzbami medzi atómami. Ale v tomto prípade je pre nás hélium trochu špeciálne, pretože je to len jeden atóm.

Z čoho sa skladá atóm?

Atóm hélia sa zase skladá z dvoch neutrónov a dvoch protónov, ktoré tvoria jadro atómu, okolo ktorého krúžia dva elektróny. Najzaujímavejšie je, že jediný absolútne nedeliteľný je tu elektrón.

Zaujímavý moment kvantového sveta

Ako menej hmotnosť elementárnej častice, tzv viac zaberá miesto. Z tohto dôvodu elektróny, ktoré sú 2000-krát ľahšie ako protón, zaberajú oveľa viac miesta ako jadro atómu.

Neutróny a protóny patria do skupiny tzv hadróny(častice podliehajúce silnej interakcii), a aby som bol ešte presnejší, baryóny.

Hadróny možno rozdeliť do skupín

• Baryóny, ktoré sa skladajú z troch kvarkov
• Mezóny, ktoré pozostávajú z dvojice: častica-antičastica

Neutrón, ako už názov napovedá, je neutrálne nabitý a možno ho rozdeliť na dva down kvarky a jeden up kvark. Protón, kladne nabitá častica, sa delí na jeden down kvark a dva up kvarky.

Áno, áno, nerobím si srandu, naozaj sa im hovorí horné a spodné. Zdalo by sa, že ak by sme objavili top a spodný kvark a dokonca aj elektrón, dokázali by sme s ich pomocou opísať celý vesmír. Ale toto tvrdenie by bolo veľmi ďaleko od pravdy.

Hlavným problémom je, že častice musia spolu nejako interagovať. Ak by sa svet skladal len z tejto trojice (neutrón, protón a elektrón), potom by častice jednoducho preleteli cez obrovské rozlohy vesmíru a nikdy by sa nezhromaždili do väčších útvarov, ako sú hadróny.

Fermióny a bozóny

Už dávno vedci vynašli pohodlnú a stručnú formu znázornenia elementárnych častíc, nazývanú štandardný model. Ukazuje sa, že všetky elementárne častice sú rozdelené na fermióny, z ktorých sa skladá všetka hmota, a bozóny, ktoré nesú rôzne druhy interakcií medzi fermiónmi.

Rozdiel medzi týmito skupinami je veľmi jasný. Faktom je, že podľa zákonov kvantového sveta potrebujú fermióny na prežitie určitý priestor, zatiaľ čo ich náprotivky, bozóny, môžu pokojne žiť tesne nad sebou v biliónoch.

Fermióny

Skupina fermiónov, ako už bolo spomenuté, vytvára okolo nás viditeľnú hmotu. Čokoľvek vidíme, kdekoľvek, je vytvorené fermiónmi. Fermióny sa delia na kvarky, ktoré medzi sebou silne interagujú a sú zachytené vo vnútri zložitejších častíc, ako sú hadróny a leptóny, ktoré voľne existujú v priestore nezávisle od svojich náprotivkov.

Kvarky sa delia na dve skupiny.

• Top typ. Up kvarky s nábojom +23 zahŕňajú: up, charm a true kvarky
• Nižší typ. Kvarky downového typu s nábojom -13 zahŕňajú: down, podivné a čarovné kvarky

Pravdivé a krásne sú najväčšie kvarky, zatiaľ čo hore a dole sú najmenšie. Prečo kvarky dostali také nezvyčajné názvy a správnejšie „príchute“, je medzi vedcami stále predmetom sporov.

Leptóny sa tiež delia na dve skupiny.

• Prvá skupina s nábojom "-1" zahŕňa: elektrón, mión (ťažšia častica) a častica tau (najhmotnejšia)
• Druhá skupina s neutrálnym nábojom obsahuje: elektrónové neutríno, miónové neutríno a tau neutríno

Neutríno je malá častica hmoty, ktorú je takmer nemožné odhaliť. Jeho náboj je vždy 0.

Vynára sa otázka, či fyzici nájdu ešte niekoľko generácií častíc, ktoré budú ešte hmotnejšie ako tie predchádzajúce. Je ťažké na to odpovedať, ale teoretici sa domnievajú, že generácie leptónov a kvarkov sú obmedzené na tri.

Nenašli ste žiadne podobnosti? Kvarky aj leptóny sú rozdelené do dvoch skupín, ktoré sa navzájom líšia nábojom na jednotku? Ale o tom neskôr...

bozóny

Bez nich by fermióny lietali okolo vesmíru v nepretržitom prúde. Ale výmenou bozónov si fermióny navzájom povedia nejaký druh interakcie. Samotné bozóny medzi sebou neinteragujú.

Interakcia prenášaná bozónmi je:

• elektromagnetické, častice - fotóny. Tieto bezhmotné častice prepúšťajú svetlo.
• silné jadrovéčastice sú gluóny. S ich pomocou sa kvarky z jadra atómu nerozpadajú na samostatné častice.
• Slabé jadrové, častice - W a Z bozóny. S ich pomocou sa fermióny prenášajú hmotou, energiou a môžu sa navzájom premieňať.
• gravitačné , častice - gravitóny. Mimoriadne slabá sila na úrovni mikrokozmu. Stáva sa viditeľným iba na supermasívnych telesách.

Výhrada ku gravitačnej interakcii.
Existencia gravitónov zatiaľ nebola experimentálne potvrdená. Existujú len vo forme teoretickej verzie. V štandardnom modeli sa vo väčšine prípadov nezohľadňujú.

To je všetko, štandardný model je zostavený.

Problémy práve začali

Napriek veľmi krásnemu znázorneniu častíc v diagrame zostávajú dve otázky. Kde získavajú častice svoju hmotnosť a čo je Higgsov bozón, ktorý sa odlišuje od ostatných bozónov.

Aby sme pochopili myšlienku použitia Higgsovho bozónu, musíme sa obrátiť na kvantovú teóriu poľa. Zjednodušene možno tvrdiť, že celý svet, celý Vesmír, sa neskladá z najmenších častíc, ale z mnohých rôznych polí: gluónové, kvarkové, elektronické, elektromagnetické atď. Vo všetkých týchto oblastiach neustále dochádza k miernym výkyvom. Ale najsilnejšie z nich vnímame ako elementárne častice. Áno, a táto téza je veľmi kontroverzná. Z pohľadu korpuskulárno-vlnového dualizmu sa ten istý objekt mikrokozmu v rôznych situáciách správa ako vlna, niekedy ako elementárna častica, záleží len na tom, ako je pre fyzika pozorujúceho proces vhodnejšie situáciu modelovať. .

Higgsovo pole

Ukazuje sa, že existuje takzvané Higgsovo pole, ktorého priemer nechce ísť na nulu. Výsledkom je, že toto pole sa snaží získať určitú konštantnú nenulovú hodnotu v celom vesmíre. Pole tvorí všadeprítomné a stále pozadie, v dôsledku čoho sa v dôsledku silných výkyvov objavuje Higgsov bozón.
A práve vďaka Higgsovmu poľu sú častice vybavené hmotou.
Hmotnosť elementárnej častice závisí od toho, ako silne interaguje s Higgsovým poľom neustále v ňom lietať.
A práve kvôli Higgsovmu bozónu a konkrétnejšie kvôli jeho poľu má štandardný model toľko podobných skupín častíc. Higgsovo pole si vynútilo vytvorenie mnohých ďalších častíc, ako sú neutrína.

Výsledky

To, čo mi bolo povedané, je najpovrchnejšie chápanie povahy Štandardného modelu a prečo potrebujeme Higgsov bozón. Niektorí vedci v hĺbke duše stále dúfajú, že častica nájdená v roku 2012, ktorá vyzerá ako Higgsov bozón na LHC, bola len štatistická chyba. Koniec koncov, Higgsovo pole narúša mnohé krásne symetrie prírody, vďaka čomu sú výpočty fyzikov mätúce.
Niektorí dokonca veria, že štandardný model prežíva posledné roky kvôli svojej nedokonalosti. To však nebolo experimentálne dokázané a štandardný model elementárnych častíc zostáva platným príkladom geniality ľudského myslenia.

Moderné chápanie časticovej fyziky je obsiahnuté v tzv štandardný model . Štandardný model (SM) časticovej fyziky je založený na kvantovej elektrodynamike, kvantovej chromodynamike a modeli kvark-partónov.
Kvantová elektrodynamika (QED) - vysoko presná teória - popisuje procesy prebiehajúce pod vplyvom elektromagnetických síl, ktoré sú študované s vysokým stupňom presnosti.
Kvantová chromodynamika (QCD), ktorá popisuje procesy silných interakcií, je konštruovaná analogicky s QED, ale vo väčšej miere ide o semiempirický model.
Model kvark-partón spája teoretické a experimentálne výsledky štúdia vlastností častíc a ich interakcií.
Doteraz neboli zistené žiadne odchýlky od štandardného modelu.
Hlavný obsah Štandardného modelu je uvedený v tabuľkách 1, 2, 3. Zložky hmoty sú tri generácie fundamentálnych fermiónov (I, II, III), ktorých vlastnosti sú uvedené v tabuľke. 1. Fundamentálne bozóny - nosiče interakcií (tab. 2), ktoré možno znázorniť pomocou Feynmanovho diagramu (obr. 1).

Tabuľka 1: Fermióny − (poločíselný spin v jednotkách ћ) zložky hmoty

	Leptóny, spin = 1/2			Kvarky, rotácia = 1/2
	Aróma	hmotnosť, GeV/s 2	Elektrický poplatok, napr	Aróma	hmotnosť, GeV/s 2	Elektrický poplatok, napr
ja	v e	< 7·10 -9	0	u, hore	0.005	2/3
	e, elektrón	0.000511	-1	d, dole	0.01	-1/3
II	ν μ	< 0.0003	0	c, kúzlo	1.5	2/3
	μ, mión	0.106	-1	s, zvláštne	0.2	-1/3
III	ν τ	< 0.03	0	t, vrchol	170	2/3
	τ, tau	1.7771	-1	b, spodok	4.7	-1/3

Tabuľka 2: Bozóny - nositelia interakcií (spin = 0, 1, 2 ... v jednotkách ћ)

dopravcov interakcie	hmotnosť, GeV/s2	Elektrický poplatok, napr
Elektroslabá interakcia
γ, fotón, spin = 1	0	0
W -, rotácia = 1	80.22	-1
W +, rotácia = 1	80.22	+1
Z0, rotácia = 1	91.187	0
Silná (farebná) interakcia
5, gluóny, spin = 1	0	0
Neobjavené bozóny
H0, Higgs, rotácia = 0	> 100	0
G, gravitón, rotácia = 2	?	0

Tabuľka 3: Porovnávacie charakteristiky základných interakcií

Sila interakcie je uvedená vo vzťahu k silnej interakcii.

Ryža. 1: Feynmanov diagram: A + B = C + D, a je interakčná konštanta, Q 2 = -t - 4-hybnosť, ktorú častica A prenáša na časticu B v dôsledku jedného zo štyroch typov interakcií.

1.1 Základy štandardného modelu

• Hadróny sa skladajú z kvarkov a gluónov (partónov). Kvarky sú fermióny so spinom 1/2 a hmotnosťou m 0; gluóny sú bozóny so spinom 1 a hmotnosťou m = 0.
• Kvarky sa delia na dva spôsoby: chuť a farba. Pre každý kvark existuje 6 príchutí a 3 farby.
• Chuť je vlastnosť, ktorá sa zachováva pri silných interakciách.
• Gluón sa skladá z dvoch farieb - farby a antifarby a všetky ostatné kvantové čísla sa rovnajú nule. Keď je emitovaný gluón, kvark zmení farbu, ale nie chuť. Celkovo je 8 gluónov.
• Elementárne procesy v QCD sú konštruované analogicky s QED: brzdné žiarenie gluónu kvarkom, tvorba párov kvark-antikvark gluónom. Proces výroby gluónu gluónom nemá v QED obdobu.
• Statické gluónové pole nemá v nekonečne tendenciu k nule, t.j. celková energia takéhoto poľa je nekonečná. Kvarky teda nemôžu vyletieť z hadrónov, prebieha ich zadržiavanie.
• Medzi kvarkami pôsobia príťažlivé sily, ktoré majú dve nezvyčajné vlastnosti: a) asymptotickú voľnosť vo veľmi malých vzdialenostiach a b) infračervené zachytenie - uzavretie, a to z dôvodu, že potenciálna energia interakcie V(r) rastie neobmedzene so zväčšujúcou sa vzdialenosťou medzi kvarkami r. , V(r ) = -α s /r + ær, α s a æ sú konštanty.
• Interakcia kvark-kvark nie je aditívna.
• Len farebné singlety môžu existovať ako voľné častice:
  mezónový singlet, pre ktorý je vlnová funkcia daná

a baryónový singlet s vlnovou funkciou

kde R je červená, B je modrá, G je zelená.

• Existujú súčasné a jednotlivé kvarky, ktoré majú rôzne hmotnosti.
• Prierezy procesu A + B = C + X s výmenou jedného gluónu medzi kvarkami, ktoré tvoria hadróny, sú zapísané ako:

ŝ = x a x b s, = x a t/x c .

Symboly a, b, c, d označujú kvarky a s nimi súvisiace premenné, symboly А, В, С – hadróny, ŝ, , , – veličiny súvisiace s kvarkami, – distribučná funkcia kvarkov a v hadróne A (resp. - kvarky b v hadróne B), je fragmentačná funkcia kvarku c na hadróny C, d/dt je elementárny prierez qq interakcie.

1.2 Hľadajte odchýlky od štandardného modelu

Pri existujúcich energiách zrýchlených častíc platia všetky ustanovenia QCD a ešte viac QED. V plánovaných experimentoch s vyššími energiami častíc je jednou z hlavných úloh nájsť odchýlky od Štandardného modelu.
Ďalší rozvoj fyziky vysokých energií je spojený s riešením nasledujúcich problémov:

1. Hľadajte exotické častice so štruktúrou odlišnou od štruktúry akceptovanej v štandardnom modeli.
2. Hľadajte oscilácie neutrín ν μ ↔ ν τ a súvisiaci problém hmotnosti neutrín (ν m ≠ 0).
3. Hľadajte rozpad protónu, ktorého životnosť sa odhaduje na τ exp > 10 33 rokov.
4. Hľadajte štruktúru základných častíc (struny, preóny vo vzdialenostiach d< 10 -16 см).
5. Detekcia deconfinovanej hadrónovej hmoty (kvark-gluónová plazma).
6. Štúdium porušenia CP pri rozpade neutrálnych K-mezónov, D-mezónov a B-častíc.
7. Štúdium povahy temnej hmoty.
8. Štúdium zloženia vákua.
9. Hľadaj Higgsov bozón.
10. Hľadajte supersymetrické častice.

1.3 Nevyriešené otázky štandardného modelu

Základná fyzikálna teória, Štandardný model elektromagnetických, slabých a silných interakcií elementárnych častíc (kvarkov a leptónov), je všeobecne uznávaným výdobytkom fyziky 20. storočia. Vysvetľuje všetky známe experimentálne fakty z fyziky mikrosveta. Existuje však množstvo otázok, na ktoré Štandardný model neodpovedá.

1. Povaha mechanizmu spontánneho narušenia invariantnosti elektroslabého meradla nie je známa.

• Vysvetlenie existencie hmotností pre W ± - a Z 0 -bozóny si vyžaduje úvod do teórie skalárnych polí so základným stavom, vákuom, ktoré je neinvariantné vzhľadom na kalibračné transformácie.
• Dôsledkom toho je vznik novej skalárnej častice – Higgsovho bozónu.

1. SM nevysvetľuje podstatu kvantových čísel.

• Čo sú náboje (elektrické; baryónové; leptón: Le, L μ , L τ : farba: modrá, červená, zelená) a prečo sú kvantované?
• Prečo existujú 3 generácie základných fermiónov (I, II, III)?

1. SM nezahŕňa gravitáciu, preto spôsob zahrnutia gravitácie do SM je novou hypotézou o existencii dodatočných dimenzií v priestore mikrosveta.
2. Neexistuje žiadne vysvetlenie, prečo je základná Planckova stupnica (M ~ 10 19 GeV) tak vzdialená od základnej stupnice elektroslabých interakcií (M ~ 10 2 GeV).

V súčasnosti existuje spôsob, ako tieto problémy vyriešiť. Spočíva vo vývoji novej myšlienky štruktúry základných častíc. Predpokladá sa, že základné častice sú objekty, ktoré sa bežne nazývajú „struny“. Vlastnosti strún sú zohľadnené v rýchlo sa rozvíjajúcom modeli superstrun, ktorý tvrdí, že vytvára spojenie medzi javmi vyskytujúcimi sa vo fyzike častíc a v astrofyzike. Toto spojenie viedlo k formulácii novej disciplíny – kozmológie elementárnych častíc.

Štandardný model elementárnych častíc je považovaný za najväčší úspech fyziky v druhej polovici 20. storočia. Ale čo je za tým?

Štandardný model (SM) elementárnych častíc, založený na kalibračnej symetrii, je veľkolepým výtvorom Murray Gell-Manna, Sheldona Glashowa, Stevena Weinberga, Abdusa Salama a celej galaxie skvelých vedcov. SM dokonale opisuje interakcie medzi kvarkami a leptónmi vo vzdialenostiach rádovo 10–17 m (1 % priemeru protónov), ktoré možno študovať na moderných urýchľovačoch. Začína sa však šmýkať už vo vzdialenosti 10-18 m a ešte viac neposkytuje postup na vytúženú Planckovu stupnicu 10-35 m.

Verí sa, že práve tam sa všetky základné interakcie spájajú v kvantovej jednote. SM bude jedného dňa nahradená úplnejšou teóriou, ktorá s najväčšou pravdepodobnosťou tiež nebude posledná a konečná. Vedci sa snažia nájsť náhradu za Štandardný model. Mnohí veria, že nová teória bude vybudovaná rozšírením zoznamu symetrií, ktoré tvoria základ SM. Jeden z najsľubnejších prístupov k riešeniu tohto problému bol vytýčený nielen v nadväznosti na problémy SM, ale ešte pred jeho vznikom.

Častice, ktoré sa riadia Fermi-Diracovými štatistikami (fermióny s polovičným spinom) a Bose-Einstein (bozóny s celočíselným spinom). V energetickej studni môžu všetky bozóny zaberať rovnakú nižšiu energetickú hladinu a vytvárať Bose-Einsteinov kondenzát. Fermióny sa na druhej strane riadia Pauliho vylučovacím princípom, a preto dve častice s rovnakými kvantovými číslami (najmä jednosmerné spiny) nemôžu zaberať rovnakú energetickú úroveň.

Zmes protikladov

Koncom šesťdesiatych rokov Yury Golfand, vedúci výskumník na teoretickom oddelení FIAN, navrhol svojmu postgraduálnemu študentovi Evgenymu Likhtmanovi, aby zovšeobecnil matematický aparát používaný na opis symetrií štvorrozmerného časopriestoru špeciálnej teórie relativity (Minkowski priestor).

Lichtman zistil, že tieto symetrie možno kombinovať s vnútornými symetriami kvantových polí s nenulovými rotáciami. V tomto prípade sa vytvárajú rodiny (multiplety), ktoré spájajú častice s rovnakou hmotnosťou, ktoré majú celočíselný a polocelý spin (inými slovami, bozóny a fermióny). Bolo to nové a zároveň nepochopiteľné, pretože obe podliehajú rôznym typom kvantových štatistík. Bosóny sa môžu hromadiť v rovnakom stave a fermióny sa riadia Pauliho princípom, ktorý striktne zakazuje dokonca aj párové zväzky tohto druhu. Preto vznik bosono-fermionových multipletov vyzeral ako matematická exotika, ktorá nemá nič spoločné so skutočnou fyzikou. Takto to bolo vnímané vo FIAN. Neskôr Andrej Sacharov vo svojich Spomienkach označil zjednotenie bozónov a fermiónov za skvelý nápad, no vtedy sa mu to nezdalo zaujímavé.

Nad rámec štandardu

Kde sú hranice SM? „Štandardný model je v súlade s takmer všetkými údajmi získanými na vysokoenergetických urýchľovačoch. - vysvetľuje vedúci výskumník Ústavu pre jadrový výskum Ruskej akadémie vied Sergej Troitsky. „Výsledky experimentov, ktoré svedčia o prítomnosti hmoty v dvoch typoch neutrín a možno vo všetkých troch, však celkom nezapadajú do jeho rámca. Tento fakt znamená, že SM treba rozširovať a v akej, to vlastne nikto nevie. Astrofyzikálne údaje tiež poukazujú na neúplnosť SM. Temná hmota, ktorá tvorí viac ako pätinu hmotnosti vesmíru, pozostáva z ťažkých častíc, ktoré sa nezmestia do SM. Mimochodom, bolo by presnejšie nazvať túto záležitosť nie tmavou, ale priehľadnou, pretože nielenže nevyžaruje svetlo, ale ani ho neabsorbuje. Okrem toho SM nevysvetľuje takmer úplnú absenciu antihmoty v pozorovateľnom vesmíre.“
Existujú aj estetické námietky. Ako poznamenáva Sergej Troitsky, SM je veľmi škaredé. Obsahuje 19 číselných parametrov, ktoré sú určené experimentom a z pohľadu zdravého rozumu nadobúdajú veľmi exotické hodnoty. Napríklad vákuový priemer Higgsovho poľa, ktoré je zodpovedné za hmotnosti elementárnych častíc, je 240 GeV. Nie je jasné, prečo je tento parameter 1017-krát menší ako parameter, ktorý určuje gravitačnú interakciu. Chcel by som mať ucelenejšiu teóriu, ktorá umožní určiť tento vzťah z nejakých všeobecných princípov.
SM nevysvetľuje ani obrovský rozdiel medzi hmotnosťou najľahších kvarkov, ktoré tvoria protóny a neutróny, a hmotnosťou top kvarku, ktorá presahuje 170 GeV (vo všetkých ostatných ohľadoch sa nelíši od kvarku u). , ktorý je takmer 10 000-krát ľahší). Odkiaľ pochádzajú zdanlivo identické častice s takými rozdielnymi hmotnosťami, je stále nejasné.

Lichtman obhájil svoju dizertačnú prácu v roku 1971 a potom odišiel na VINITI a takmer opustil teoretickú fyziku. Golfand dostal z FIAN výpoveď pre nadbytočnosť a dlho si nevedel nájsť prácu. Zamestnanci Ukrajinského inštitútu fyziky a technológie Dmitrij Volkov a Vladimir Akulov však tiež objavili symetriu medzi bozónmi a fermiónmi a dokonca ju použili na opis neutrín. Pravdaže, ani Moskovčania, ani Charkovci vtedy nezískali vavríny. Až v roku 1989 Golfand a Likhtman získali I.E. Tamm. V roku 2009 Volodymyr Akulov (teraz vyučuje fyziku na Technickej fakulte City University of New York) a Dmitrij Volkov (posmrtne) získali Národnú cenu Ukrajiny za vedecký výskum.

Elementárne častice Štandardného modelu sú rozdelené na bozóny a fermióny podľa typu štatistiky. Kompozitné častice - hadróny - sa môžu riadiť buď Bose-Einsteinovu štatistiku (ako sú mezóny - kaóny, pióny), alebo Fermi-Diracovu štatistiku (baryóny - protóny, neutróny).

Zrod supersymetrie

Na Západe sa zmesi bosonických a fermionických stavov prvýkrát objavili v rodiacej sa teórii, ktorá predstavovala elementárne častice nie ako bodové objekty, ale ako vibrácie jednorozmerných kvantových strún.

V roku 1971 bol skonštruovaný model, v ktorom bola každá vibrácia bosonického typu kombinovaná s jej párovou fermiónovou vibráciou. Pravda, tento model nefungoval v štvorrozmernom priestore Minkowského, ale v dvojrozmernom časopriestore strunových teórií. Avšak už v roku 1973 Rakúšan Julius Wess a Talian Bruno Zumino informovali CERN (a o rok neskôr publikovali článok) o štvorrozmernom supersymetrickom modeli s jedným bozónom a jedným fermiónom. Netvrdila, že opisuje elementárne častice, ale demonštrovala možnosti supersymetrie na jasnom a extrémne fyzikálnom príklade. Čoskoro tí istí vedci dokázali, že symetria, ktorú objavili, bola rozšírenou verziou symetrie Golfanda a Lichtmana. Ukázalo sa teda, že do troch rokov bola supersymetria v priestore Minkowského nezávisle objavená tromi pármi fyzikov.

Výsledky Wessa a Zumina podnietili vývoj teórií so zmesami bozón-fermión. Pretože tieto teórie spájajú meraciu symetriu so symetriou časopriestoru, nazývali sa supergauge a potom supersymetria. Predpovedajú existenciu mnohých častíc, z ktorých žiadna zatiaľ nebola objavená. Supersymetria reálneho sveta je teda stále hypotetická. Ale aj keď existuje, nemôže byť prísny, inak by elektróny nabili bosonických bratrancov presne rovnakou hmotnosťou, ktorú by bolo možné ľahko zistiť. Zostáva predpokladať, že supersymetrickí partneri známych častíc sú extrémne masívni, a to je možné len vtedy, ak je supersymetria narušená.

Supersymetrická ideológia vstúpila do platnosti v polovici 70. rokov, keď už existoval Štandardný model. Prirodzene, fyzici začali stavať jeho supersymetrické rozšírenia, inými slovami, zaviesť do neho symetriu medzi bozónmi a fermiónmi. Prvú realistickú verziu supersymetrického štandardného modelu s názvom Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) navrhli Howard Georgi a Savas Dimopoulos v roku 1981. V skutočnosti ide o rovnaký štandardný model so všetkými jeho symetriami, ale každá častica má pridaného partnera, ktorého spin sa líši od spinu o ½, bozón k fermiónu a fermión k bozónu.

Preto všetky interakcie SM zostávajú na svojom mieste, ale sú obohatené o interakcie nových častíc so starými a medzi sebou navzájom. Neskôr vznikli aj zložitejšie supersymetrické verzie SM. Všetky porovnávajú už známe častice s rovnakými partnermi, ale narušenie supersymetrie vysvetľujú rôznymi spôsobmi.

Častice a superčastice

Názvy fermionových superpartnerov sú konštruované pomocou predpony "s" - elektrón, smuon, squark. Superpartneri bozónov získavajú koncovku „ino“: fotón – fotino, gluón – gluino, Z-bozón – zino, W-bozón – víno, Higgsov bozón – higgsino.

Spin superpartnera akejkoľvek častice (s výnimkou Higgsovho bozónu) je vždy o ½ menší ako jej vlastný spin. V dôsledku toho partneri elektrónu, kvarkov a iných fermiónov (a samozrejme aj ich antičastice) majú nulový spin, zatiaľ čo partneri fotónu a vektorových bozónov s jednotkovým spinom majú polovičný spin. Je to spôsobené tým, že počet stavov častice je väčší, tým väčší je jej spin. Nahradenie odčítania pridaním by preto viedlo k objaveniu sa nadbytočných superpartnerov.

Vľavo je Štandardný model (SM) elementárnych častíc: fermiónov (kvarky, leptóny) a bozóny (nosiče interakcie). Vpravo sú ich superpartneri v minimálnom supersymetrickom štandardnom modeli, MSSM: bozóny (squarky, sleepons) a fermióny (superpartneri nosičov sily). Päť Higgsových bozónov (na diagrame označených jedným modrým symbolom) má tiež svojich superpartnerov, Higgsinovu päťku.

Vezmime si ako príklad elektrón. Môže byť v dvoch stavoch - v jednom je jeho spin nasmerovaný rovnobežne s hybnosťou, v druhom je antiparalelný. Z hľadiska SM ide o odlišné častice, keďže sa nezúčastňujú úplne rovnako na slabých interakciách. Častica s jednotkovým spinom a nenulovou hmotnosťou môže existovať v troch rôznych stavoch (ako hovoria fyzici, má tri stupne voľnosti), a preto nie je vhodná pre partnerov s elektrónom. Jediným východiskom je priradiť každému zo stavov elektrónu jedného superpartnera so spin-nulou a považovať tieto elektróny za rôzne častice.

Superpartneri bozónov v štandardnom modeli sú o niečo zložitejšie. Keďže hmotnosť fotónu je rovná nule, aj pri jednotkovom spine má nie tri, ale dva stupne voľnosti. Preto sa k nemu dá ľahko priradiť fotino, polovičný superpartner, ktorý má podobne ako elektrón dva stupne voľnosti. Gluinos sa objavujú podľa rovnakej schémy. S Higgsom je situácia komplikovanejšia. MSSM má dva dublety Higgsových bozónov, ktoré zodpovedajú štyrom superpartnerom – dvom neutrálnym a dvom opačne nabitým Higgsinovým. Neutrály sa rôznymi spôsobmi miešajú s fotino a zino a tvoria štvoricu fyzikálne pozorovateľných častíc s bežným názvom neutralino. Podobné zmesi s názvom chargino, ktorý je pre ruské ucho zvláštny (v angličtine - chargino), tvoria superpartnerov pozitívnych a negatívnych W-bozónov a párov nabitých Higgsov.

Situácia s neutrínovými superpartnermi má tiež svoje špecifiká. Ak by táto častica nemala žiadnu hmotnosť, jej rotácia by bola vždy v opačnom smere hybnosti. Preto by bezhmotné neutríno malo jediného skalárneho partnera. Skutočné neutrína však stále nie sú bezhmotné. Je možné, že existujú aj neutrína s paralelnými hybnosťami a spinmi, ale sú veľmi ťažké a zatiaľ neboli objavené. Ak je to pravda, potom každý typ neutrína má svojho vlastného superpartnera.

Podľa profesora fyziky Gordona Kanea z Michiganskej univerzity má najuniverzálnejší mechanizmus na narušenie supersymetrie do činenia s gravitáciou.

Veľkosť jeho prínosu pre masy superčastíc však zatiaľ nie je objasnená a odhady teoretikov sú rozporuplné. Navyše nie je ani zďaleka jediný. NMSSM teda zavádza ďalšie dva Higgsove bozóny, ktoré prispievajú k hmotnosti superčastíc (a tiež zvyšujú počet neutralínov zo štyroch na päť). Takáto situácia, poznamenáva Kane, dramaticky znásobuje počet parametrov zahrnutých v supersymetrických teóriách.

Aj minimálne rozšírenie štandardného modelu si vyžaduje približne sto ďalších parametrov. To by nemalo byť prekvapujúce, pretože všetky tieto teórie zavádzajú veľa nových častíc. Keď sa objavia úplnejšie a konzistentnejšie modely, počet parametrov by sa mal znížiť. Len čo detektory Large Hadron Collider zachytia superčastice, nové modely vás nenechajú čakať.

Hierarchia častíc

Supersymetrické teórie umožňujú eliminovať množstvo slabín v štandardnom modeli. Profesor Kane prináša do popredia hádanku Higgsovho bozónu, ktorá sa nazýva problém hierarchie..

Táto častica získava hmotnosť v priebehu interakcie s leptónmi a kvarkami (rovnako ako oni sami získavajú hmotnosť pri interakcii s Higgsovým poľom). V SM sú príspevky týchto častíc reprezentované divergentnými sériami s nekonečnými súčtami. Je pravda, že príspevky bozónov a fermiónov majú rôzne znamienka a v zásade sa môžu navzájom takmer úplne zrušiť. Takéto vyhynutie by však malo byť takmer ideálne, keďže hmotnosť Higgsa je teraz známa len ako 125 GeV. Nie je to nemožné, ale vysoko nepravdepodobné.

Pre supersymetrické teórie sa nie je čoho obávať. Pri presnej supersymetrii sa musia príspevky obyčajných častíc a ich superpartnerov navzájom úplne kompenzovať. Keďže supersymetria je narušená, kompenzácia sa ukáže ako neúplná a Higgsov bozón nadobudne konečnú, a čo je najdôležitejšie, vypočítateľnú hmotnosť. Ak hmotnosti superpartnerov nie sú príliš veľké, malo by sa merať v rozmedzí od jednej do dvesto GeV, čo je pravda. Ako zdôrazňuje Kane, fyzici začali brať supersymetriu vážne, keď sa ukázalo, že rieši problém hierarchie.

Tým možnosti supersymetrie nekončia. Z SM vyplýva, že v oblasti veľmi vysokých energií sa silné, slabé a elektromagnetické interakcie, hoci majú približne rovnakú silu, nikdy nespájajú. A v supersymetrických modeloch pri energiách rádovo 1016 GeV k takémuto spojeniu dochádza a vyzerá to oveľa prirodzenejšie. Tieto modely ponúkajú aj riešenie problému tmavej hmoty. Zo superčastíc pri rozpadoch vznikajú superčastice aj obyčajné častice – samozrejme menšej hmotnosti. Supersymetria však na rozdiel od SM umožňuje rýchly rozpad protónu, ku ktorému v skutočnosti, našťastie, nedochádza.

Protón a s ním aj celý okolitý svet možno zachrániť za predpokladu, že pri procesoch so superčasticami sa zachová kvantové číslo R-parity, ktoré sa rovná jednej pre bežné častice a mínus jedna pre superpartnerov. V takom prípade musí byť najľahšia superčastica úplne stabilná (a elektricky neutrálna). Podľa definície sa nemôže rozpadnúť na superčastice a zachovanie R-parity mu zakazuje rozpad na častice. Temná hmota môže pozostávať práve z takých častíc, ktoré vznikli bezprostredne po Veľkom tresku a zabránili vzájomnému zničeniu.

Čakanie na experimenty

„Krátko pred objavom Higgsovho bozónu na základe M-teórie (najpokročilejšia verzia teórie strún) bola jeho hmotnosť predpovedaná s chybou iba dvoch percent! Hovorí profesor Kane. — Vypočítali sme aj hmotnosti elektrónov, smuónov a squarkov, ktoré sa ukázali byť príliš veľké pre moderné urýchľovače — rádovo niekoľko desiatok TeV. Superpartneri fotónov, gluónov a iných kalibračných bozónov sú oveľa ľahšie, a preto majú šancu, že budú odhalení na LHC.

Samozrejme, správnosť týchto výpočtov nie je ničím zaručená: M-teória je chúlostivá záležitosť. A predsa, je možné na urýchľovačoch odhaliť stopy superčastíc? „Masívne superčastice by sa mali rozpadnúť hneď po narodení. K týmto rozpadom dochádza na pozadí rozpadov obyčajných častíc a je veľmi ťažké ich jednoznačne vyčleniť,“ vysvetľuje Dmitrij Kazakov, vedúci výskumník Laboratória teoretickej fyziky SÚJV Dubna. „Ideálne by bolo, keby sa superčastice prejavili jedinečným spôsobom, ktorý sa nedá zameniť s ničím iným, ale teória to nepredpovedá.

Je potrebné analyzovať mnoho rôznych procesov a hľadať medzi nimi tie, ktoré nie sú úplne vysvetlené štandardným modelom. Tieto pátrania sú zatiaľ neúspešné, no na masy superpartnerov už máme limity. Tie z nich, ktoré sa zúčastňujú silných interakcií, by mali ťahať aspoň 1 TeV, zatiaľ čo hmotnosti iných superčastíc sa môžu pohybovať medzi desiatkami a stovkami GeV.

V novembri 2012 boli na sympóziu v Kjóte oznámené výsledky experimentov na LHC, pri ktorých sa po prvý raz podarilo spoľahlivo zaregistrovať veľmi zriedkavý rozpad Bs mezónu na mión a antimión. Jeho pravdepodobnosť je približne tri miliardtiny, čo je v dobrej zhode s predpoveďami SM. Keďže očakávaná pravdepodobnosť tohto rozpadu, vypočítaná z MSSM, môže byť niekoľkonásobne väčšia, niektorí sa rozhodli, že supersymetrii je koniec.

Táto pravdepodobnosť však závisí od viacerých neznámych parametrov, ktoré môžu vo veľkej aj malej miere prispieť ku konečnému výsledku, stále je tu veľa neistoty. Preto sa nič strašné nestalo a klebety o smrti MSSM sú značne zveličené. To však neznamená, že je neporaziteľná. LHC ešte nepracuje na plnú kapacitu, dosiahne ju až o dva roky, keď sa protónová energia dostane až na 14 TeV. A ak potom nedôjde k prejavom superčastíc, tak MSSM s najväčšou pravdepodobnosťou zomrie prirodzenou smrťou a príde čas na nové supersymetrické modely.

Grassmannove čísla a supergravitácia

Ešte pred vytvorením MSSM bola supersymetria kombinovaná s gravitáciou. Opakovaná aplikácia transformácií spájajúcich bozóny a fermióny posúva časticu v časopriestore. To umožňuje prepojiť supersymetrie a deformácie časopriestorovej metriky, ktorá je podľa všeobecnej teórie relativity príčinou gravitácie. Keď si to fyzici uvedomili, začali budovať supersymetrické zovšeobecnenia všeobecnej teórie relativity, ktoré sa nazývajú supergravitácia. Táto oblasť teoretickej fyziky sa v súčasnosti aktívne rozvíja.
Zároveň sa ukázalo, že supersymetrické teórie potrebujú exotické čísla, ktoré v 19. storočí vymyslel nemecký matematik Hermann Günter Grassmann. Môžu sa sčítať a odčítať ako zvyčajne, ale súčin takýchto čísel mení znamienko, keď sa faktory preusporiadajú (preto sa druhá mocnina a vo všeobecnosti akákoľvek celočíselná mocnina Grassmannovho čísla rovná nule). Prirodzene, funkcie takýchto čísel nemožno diferencovať a integrovať podľa štandardných pravidiel matematickej analýzy, sú potrebné úplne iné metódy. A našťastie pre supersymetrické teórie už boli nájdené. Vynašiel ich v 60. rokoch minulého storočia vynikajúci sovietsky matematik z Moskovskej štátnej univerzity Felix Berezin, ktorý vytvoril nový smer - supermatematiku.

Existuje však aj iná stratégia, ktorá nesúvisí s LHC. Kým v CERN-e fungoval elektrón-pozitrónový urýchľovač LEP, hľadali najľahšie nabité superčastice, ktorých rozpady by mali viesť k vzniku najľahších superpartnerov. Tieto prekurzorové častice sa dajú ľahšie odhaliť, pretože sú nabité a najľahší superpartner je neutrálny. Experimenty na LEP ukázali, že hmotnosť takýchto častíc nepresahuje 104 GeV. To nie je veľa, ale na LHC sa dajú ťažko odhaliť kvôli vysokému pozadiu. Preto teraz existuje hnutie na vybudovanie supervýkonného elektrón-pozitrónového urýchľovača na ich hľadanie. Ale toto je veľmi drahé auto a určite sa tak skoro nepostaví."

Uzávery a otvory

Podľa profesora teoretickej fyziky na University of Minnesota Michaila Shifmana je však nameraná hmotnosť Higgsovho bozónu príliš veľká pre MSSM a tento model je s najväčšou pravdepodobnosťou už uzavretý:

„Pravdaže, snažia sa ju zachrániť pomocou rôznych nadstavieb, no sú také nevkusné, že nemajú veľkú šancu na úspech. Je možné, že budú fungovať aj ďalšie rozšírenia, no zatiaľ nie je známe kedy a ako. Táto otázka však presahuje rámec čistej vedy. Súčasné financovanie fyziky vysokých energií spočíva v nádeji na objavenie niečoho skutočne nového na LHC. Ak sa tak nestane, financovanie sa zníži a nebude dostatok peňazí na vybudovanie urýchľovačov novej generácie, bez ktorých sa táto veda nebude môcť reálne rozvíjať.“ Supersymetrické teórie sú teda stále sľubné, no nevedia sa dočkať verdiktu experimentátorov.