Вступление
00:00:00Стандартная модель Превосходна, Но не может объяснить всю Вселенную Стандартная модель является последовательной и прогнозирующей, однако она не может объяснить все наблюдаемые явления, включая темную материю и дисбаланс вещества и антивещества. Поскольку она работает так хорошо, только незначительные экспериментальные отклонения могут показать, как ее расширить. Принципы симметрии дают представление о том, какие новые частицы и взаимодействия могут существовать. Суперсимметрия - одно из таких глубоких предложений по расширению модели.
Симметрия Означает Неизменность При Допустимых Изменениях Симметрия - это независимость измеримых результатов от конкретных изменений в описании. Подобно тому, как покупательная способность остается неизменной при изменении валютных единиц по фиксированному обменному курсу, теория может сохранять предсказания неизменными при внутренних преобразованиях. В квантовой теории поля такие преобразования воздействуют на переменные, используемые для описания полей. Когда результаты этих операций не меняются, теория обладает симметрией.
Квантовые Поля Фундаментальны; Частицы Являются Их Квантами Основными объектами являются квантовые поля — распределенные в пространстве наборы возможных возбуждений, не состоящие ни из чего другого. Энергия, вложенная в поле, создает дискретные кванты, поэтому частицы являются наименьшими нетривиальными возбуждениями своих полей. Идентичные кванты неотличимы друг от друга, что объясняет, почему все электроны одинаковы. Квантовая электродинамика демонстрирует эту концепцию с поразительным согласием между теорией и экспериментом.
Избыточность датчика Скрывает нефизические переменные Некоторые поля описываются большим количеством компонентов, чем это физически необходимо, и разные наблюдатели разделяют их на “существенные” и “несущественные” части по-разному. Калибровочные преобразования изменяют описательные переменные, не изменяя ничего из наблюдаемого. В электромагнетизме эта свобода объясняет, почему кажется, что свет обладает большим количеством внутренних степеней свободы, чем требуется. Такая избыточность не может быть устранена глобально без нарушения других требований к согласованности.
Стандартная модель построена на калибровочных симметриях SU (3)×SU(2)×U(1) Взаимодействия в модели организованы с помощью внутренних калибровочных симметрий, обозначаемых SU(3), SU(2) и U(1). U(1) кодирует калибровочную свободу электромагнетизма, в то время как SU (3) лежит в основе квантовой хромодинамики и глюонов, которые связывают кварки в протоны и нейтроны. Эти симметрии определяют законные переменные преобразования, которые оставляют все измерения неизменными. Для их реализации требуется, чтобы теория содержала достаточное количество полей и компонентов, чтобы соответствовать их структуре.
Реализация Симметрии Требует достаточного содержания Поля Когда симметрия связывает несколько компонентов поля, описательных переменных становится больше, чем физически независимых. В этом случае согласованность требует набора полей, достаточного для поддержки преобразований симметрии. Примером этого является четырехкомпонентное описание электромагнетизма только с двумя физическими поляризациями. Аналогичные требования вновь возникают при расширении модели.
Симметрия материи и антиматерии в теории нашей Вселенной Стандартная модель рассматривает частицы и античастицы на равных основаниях, предсказывая одинаковое образование в высокоэнергетических процессах. Тем не менее, наблюдаемая Вселенная содержит несколько больше барионов, чем антибарионов антибарионов. Крошечный ранний дисбаланс — примерно один лишний барион на миллиард — пережил аннигиляцию и сформировал всю обычную материю. Для объяснения его происхождения требуются ингредиенты, выходящие за рамки модели, которые нарушают эту эффективную симметрию.
Барионы: тяжелые строительные блоки и их асимметрия Барионы — тяжелые частицы, такие как протоны и нейтроны, — составляют атомные ядра. В теории идеальной симметрии замена каждого бариона на антибарион оставила бы все законы неизменными. Современные коллайдеры создают частицы и античастицы без каких-либо предпочтений, отражая эту симметрию. Таким образом, барионная асимметрия Вселенной указывает на механизмы, лежащие за пределами модели, которые заставили материю слегка преобладать над антивеществом.
Принцип исключения фермионов формирует атомы и химию Фермионы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии - закон, известный как принцип исключения Паули. Таким образом, электроны переходят в состояния с более высокой энергией, когда более низкие состояния заполнены, образуя атомные оболочки и периодическую таблицу Менделеева. Поскольку все электроны не могут сидеть “на одном стуле”, элементы проявляют различное химическое поведение и образуют молекулы, подобные воде. Это единственное правило делает мир разнообразным, а не скучным однородным газом.
Давление вырождения создает звездную и ядерную структуру Исключение создает давление, которое противостоит сжатию, стабилизируя белых карликов и нейтронные звезды от гравитационного коллапса. Протоны и нейтроны в ядрах также заполняют энергетические уровни, подобные оболочкам, и не могут находиться в одном и том же состоянии. По мере роста числа протонов высокие уровни энергии препятствуют неограниченной упаковке, что помогает создать конечный набор стабильных элементов. Ядерная связь отражает баланс между сильным притяжением на коротких расстояниях и электромагнитным отталкиванием.
Бозоны объединяют и опосредуют силы Бозоны не чувствуют отчуждения и легко переходят в одно и то же состояние, стремясь скорее группироваться, чем избегать друг друга. При очень низкой температуре они могут коллапсировать в состояние с самой низкой энергией. Фотоны, W- и Z-бозоны, а также глюоны являются бозонными переносчиками, которые передают электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия. В архитектуре материи фермионы являются кирпичиками, а бозоны - связующим звеном.
Целые и полуцелые вращения разделяют Природу Частицам присущ спин: целые значения соответствуют бозонам, а полуцелые - фермионам. Сложение двух полуцелых спинов дает целое число, поэтому два фермиона могут объединяться и вести себя как бозон. Суммирование целых спинов никогда не дает полуцелого числа, поэтому бозоны сами по себе не могут генерировать фермионы. Эта глубокая арифметика лежит в основе многих коллективных квантовых явлений.
Сверхпроводимость Позволяет Фермионам Спариваться в Бозоны В некоторых материалах электроны взаимодействуют через решетку, образуя связанные пары, суммарный спин которых равен 0 или 1. Эти пары действуют как бозоны и коллапсируют в единое квантовое состояние. В результате в когерентном состоянии электрический ток проходит без сопротивления, поскольку он не может рассеиваться обычным способом. Сверхпроводимость - это макроскопическое проявление квантовой статистики.
Суперсимметрия связывает бозоны и фермионы Замечательная математическая структура, открытая в начале 1970-х годов Гольфандом и Лихтманом, предложила симметрию, которая связывает каждый бозон с фермионом и наоборот. При определенных правилах преобразования замена каждого партнера оставляет теорию неизменной. Это требует совпадения числа бозонных и фермионных степеней свободы. Суперсимметрия переосмысливает то, как частицы и взаимодействия могут быть организованы на более глубоком уровне.
Суперпространство и антикоммутирующие координаты обеспечивают связь Специальные математические переменные, которые противодействуют коммутации —θη = −ηθ и удовлетворяют θ2 = 0, — кодируют фермионные направления. Расширение обычного пространства такими антикоммутирующими координатами создает суперпространство. Поля, определенные в этом большем пространстве, естественным образом объединяют бозоны и фермионы. Преобразования в новых направлениях реализуют бозонно–фермионный обмен.
Вращения в Сверхпространстве Действуют Подобно Обычным Симметриям Точно так же, как пространственные вращения смешивают горизонтальную и вертикальную составляющие без изменения физики, супервращения смешивают бозонную и фермионную составляющие. Дополнительные направления не оставляют видимых точек, но позволяют выполнять полноценный расчет дифференцирования и интегрирования. Теория, живущая в суперпространстве, может быть симметричной при таких обобщенных вращениях. С этой точки зрения, знакомые поля являются проекциями структур, определенных в суперпространстве.
Суперсимметрия укрощает квантовые расхождения Взаимодействующие квантовые поля, как правило, вносят бессмысленный бесконечный вклад. В суперсимметричных установках связанные бозонные и фермионные процессы вносят вклад с противоположными знаками. Их отмена устраняет целые классы расхождений или смягчает их. Как правило, суперсимметричные квантовые теории поля гораздо лучше поддаются математическому анализу.
Эстетическая Унификация: Муфты сочетаются с SUSY Силы электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий эволюционируют с увеличением энергии и почти совпадают на больших масштабах. Благодаря дополнительным полям суперсимметрии три взаимодействия гораздо точнее сходятся в одной точке. Это поразительное сближение долгое время поддерживало мнение о том, что природа может быть суперсимметричной. Хотя это и не является доказательством, но дополняет список достоинств.
Суперпартнеры удваивают спектр частиц Если суперсимметрия верна, каждый известный фермион получает нового бозонного партнера, а каждый бозон - фермионного. В качестве примеров можно привести фотон, а в качестве электрона - селектрон. Минимальные реализации, по крайней мере, удваивают количество полей, а расширенные версии могут добавить еще больше. Наблюдаемые частицы сами по себе не являются суперпартнерами друг друга.
Эксперименты Еще Не Выявили Суперпартнеров Высокоэнергетические коллайдеры и другие поисковые системы не выявили сигналов, ожидаемых от доступных суперпартнеров. Это отсутствие не отменяет идею, поскольку предсказанные эффекты могут быть чрезвычайно слабыми или проявляться только при энергиях, недоступных в настоящее время. Суперсимметрия остается перспективной возможностью, ожидающей экспериментального подтверждения. Поиск фокусируется на выявлении точных отклонений от ожиданий стандартной модели.
Нарушенная суперсимметрия скрывает вырождения Точная суперсимметрия придала бы каждому партнеру ту же массу, что и у его двойника, чего мы явно не видим. Механизм, схожий по духу с тем, как работает поле Хиггса, может нарушить симметрию и разделить массы. Нарушение симметрии ослабляет эффекты суперпартнерства или приводит к увеличению их энергий. Это объясняет отсутствие наблюдения, не отрицая лежащей в его основе структуры.
Несовершенная симметрия по-прежнему руководит физикой Симметрия может присутствовать, но быть несовершенной, как, например, в случае, когда за идеальный обмен валюты взимается плата, а практическая эквивалентность исчезает. Аналогичным образом, слегка нарушенная суперсимметрия оставляет следы, которые скорее незаметны, чем очевидны. Эти следы могут проявляться только при очень высоких энергиях или при тонких эффектах точности. Идея остается проверяемой даже тогда, когда ее проявления приглушены.
Красота, ставки и экспериментальный тест Суперсимметрия необычайно элегантна и может стать ключом к расширению стандартной модели. Если природа отвергнет ее, это станет глубоким разочарованием для теории. Однако физика не выбирает свою вселенную, она открывает ее экспериментально. Поиск небольших, но значимых отклонений продолжает указывать путь.
Суперсимметрия рождается, а затем нарушается массой Вселенная, возможно, начиналась как прекрасно симметричная суперсимметричная система, затем “обменные курсы” между партнерами изменились. Точное распределение пар привело к значительному разделению масс, так что суперпартнер электрона был бы намного тяжелее самого электрона. Большая масса создает проблемы: тяжелые кванты предпочитают терять энергию и превращаться в более легкие, сохраняя при этом все заряды. Это отклонение от равенства делает мир, который мы видим, несимметричным при доступных энергиях.
Почему Тяжелые Кванты распадаются, В то время как Электроны сохраняются Тяжелые частицы ведут себя одинаково плохо: они накапливают энергию в массе и легко передают ее более легким частицам в виде кинетической энергии. Мюон — копия электрона, примерно в 300 раз более тяжелая — существует всего микросекунды и распадается, испуская нейтрино. Электрон сделал бы то же самое, но у него нет более легкого заряженного состояния, чтобы принять его заряд, поэтому он должен существовать стабильно. При распаде всегда учитываются сохраняющиеся заряды, которые строго учитывают каждое преобразование.
Создание тяжелых Состояний Требует колоссальной энергии Создание тяжелой частицы означает закачку достаточного количества энергии в крошечную область, чтобы она на короткое время обрела форму. Бозон Хиггса является примером этого: ускорители выделяют огромную энергию, создают ее на мгновение и подтверждают с помощью продуктов распада. Для суперпартнеров с огромными массами ни один реальный ускоритель не сможет достичь требуемых энергий. В таких случаях прямое производство просто недоступно.
Безмассовые фотоны, массивные W и Z Переносчики силы делятся: фотоны и глюоны не имеют массы, в то время как W- и Z-бозоны, образующиеся в результате слабого взаимодействия, тяжелые. Для создания W- и Z-бозонов уже потребовалась значительная мощность ускорителя и тщательная реконструкция их распадов. Эти факты подчеркивают, что масса создает трудности для экспериментов. Чем тяжелее медиатор, тем реже и жестче он выглядит.
Погоня за виртуальными следами в квантовых петлях Даже невидимые тяжелые суперпартнеры могут виртуально мерцать в квантовых петлях и слегка сдвигать наблюдаемые процессы. Эксперименты пока не выявили такого вклада, что увеличивает предполагаемый масштаб масс. Прямое обнаружение на современных коллайдерах становится маловероятным по мере повышения планки. Тем не менее, едва заметные, эфемерные отклонения могут выдать их присутствие.
Возникающие Отклонения От Стандартной Модели Недавние анализы указывают на небольшие, но дразнящие несоответствия с предсказаниями стандартной модели. Команды изучают обширные наборы данных с коллайдера, соревнуясь в выявлении устойчивых аномалий. Каждая подсказка быстро отсекает целые семейства расширений, оставляя в живых другие, включая суперсимметричные варианты. Ставки высоки, поскольку устранение таких трещин может по-новому определить архитектуру материи.
Суперсимметричный Мир, Скрытый За Пределами Нашей Досягаемости Реальность могла бы быть суперсимметричной по своей сути, но нарушенной в огромных масштабах. Тогда массы партнеров были бы настолько колоссальными, что ни один эксперимент не смог бы даже косвенно ощутить их влияние. Только при сверхвысоких энергиях ‑ таких, как горячие и плотные моменты после Большого взрыва — симметрия проявлялась бы четко. При низких энергиях все выглядит несуперсимметричным, несмотря на элегантный порядок внутри.
Создание более крупных машин и более четких мишеней Физики стремятся создать более мощные ускорители, одновременно убеждая налогоплательщиков в целесообразности своих усилий. Будущие результаты работы БАК могут указать на конкретные диапазоны энергий или процессы, которым следует уделять приоритетное внимание. Предложения включают в себя создание протонных коллайдеров с более высокой энергией и мощных ускорителей ионов для увеличения количества полезных столкновений. И все же честность требует признать, что ясных ответов может и не быть.
Удваиваем спектр, чтобы укротить бесконечности Суперсимметрия эффективно удваивает компоненты в мире, соединяя каждый фермион с бозоном и наоборот. Это радикальное расширение смягчает квантовые расхождения, создавая более чистую и понятную теорию поля. Спонтанное разрушение может сохранить эти преимущества, но усложнить работу партнеров. В результате низкоэнергетические явления раскрывают только половину полной симметричной структуры.
Сохраняющиеся заряды управляют стабильностью и Темной материей Массивные состояния могут распадаться только на более легкие комбинации, несущие точно такие же сохраняющиеся заряды. Если такого более легкого состояния не существует, тяжелая частица вынуждена сохраняться. Суперсимметрия вводит новые взаимодействия и заряды, создавая стабильных или долгоживущих суперпартнеров. Такие реликты являются естественными кандидатами в темную материю, что не противоречит наблюдаемым правилам стабильности.
Кирпичи и клей, соединенные под поверхностью Фермионы материи подобны кирпичам, а бозоны взаимодействуют как клей, однако суперсимметрия предполагает, что они являются двумя гранями одной конструкции. Ранее они могли взаимодействовать, но охлаждение и нарушение симметрии разделили их функции. Сегодня энергетические пороги блокируют переходы между секторами. Глубокое единство сохраняется только как скрытая память, проявляющаяся при экстремальных энергиях.
Поля Заполняют Пространство; Возбуждения Ждут Энергии Частицы - это кванты полей, разбросанных повсюду, каждое из которых имеет отдельные уровни возбуждения. Поля-суперпартнеры также могли бы пронизывать Вселенную, но их первые возбуждения происходят при очень высокой энергии. При недостаточной энергии эти состояния остаются незаселенными и невидимыми. Обладая колоссальными энергиями, они пробуждаются и полностью участвуют в жизни.
Несвязанные сектора и невидимая материя Темная материя может образовываться из суперпартнеров, не поддающихся обнаружению, если посредники, связанные с нашим сектором, отсутствуют или слабы. Различные нарушения симметрии могут отделять сектора, так что они практически не взаимодействуют при низких энергиях. В теории deep они могут быть частями одного целого. Для нас они ведут себя как параллельные миры, которых мы едва касаемся.
Электрослабые партнеры разделяются при охлаждении В горячей ранней Вселенной компоненты электрослабого взаимодействия были объединены. Охлаждение придало одному компоненту массу, в результате чего появились тяжелые W и Z, в то время как фотон остался безмассовым и свободно перемещающимся. Бывшие "братья и сестры" теперь кажутся несвязанными, за исключением редких, деликатных процессов. Это предлагает шаблон для того, как нарушение симметрии может разделить некогда соединенные поля.
Странное поле со спином 0, нарушающее симметрию Чтобы согласовать единую электрослабую теорию с безмассовым фотоном и массивными слабыми бозонами, физики постулировали новое поле со спином 0 с необычным потенциалом. Его значение вакуума пронизывает пустое пространство и задает массовую шкалу для W и Z, в то время как фотон не взаимодействует. Это и есть механизм Хиггса. Десятилетия спустя был обнаружен Хиггс, обладающий именно этими свойствами.
Хиггс Помогает Некоторым Массам, но не большинству Для кварков, связанных сильным взаимодействием, большая часть наблюдаемой массы - это энергия глюонной "оболочки" и мимолетных пар кварков вокруг них. Связь Хиггса сравнительно невелика в этом секторе и не имеет ничего общего с универсальным источником массы. Ничто из этого не объясняет гравитацию. Механизм Хиггса никак не связан с гравитацией.
Масса–энергия и гравитация, тщательно различимые Масса - это способ подсчета энергии в состоянии покоя, в то время как фотоны переносят энергию с нулевой массой покоя. Гравитация связана с энергией–импульсом, но невообразимо слаба в масштабах частиц. Поле Хиггса не является источником гравитации и ничего не говорит нам о квантовой гравитации. Успешной квантовой теории гравитации все еще не существует.
Супергравитация и суперструны укрощают патологии Суперсимметрия улучшает квантовое поведение гравитации, устраняя многие расхождения, но не все. Суперсимметричная теория струн идет дальше, где проблемные бесконечности и нестабильности взаимно нейтрализуются. Это единственная известная структура, которая полностью контролируется. Тем не менее, это остается прекрасной математикой, не имеющей прямого экспериментального подхода.
Неуловимый мостик от Струн к нашему Миру Ранние надежды вывести стандартную модель из суперструн угасли, когда возможности теории расширились. Ландшафт огромен, с бесчисленными неравнозначными реализациями и отсутствием уникальной схемы для низких энергий. Для точного вывода может потребоваться понимание, выходящее далеко за рамки современных инструментов. На данный момент струны привлекательны, но не привязаны.
Детерминированные волны, вероятностные исходы Волновая функция детерминированно развивается в соответствии с уравнением Шредингера и кодирует все возможности. Реальные события следуют правилу Борна о вероятностях, вызывая коллапс, не описываемый этим уравнением. В "Многомирах" утверждается, что все исходы происходят в ветвящихся вселенных, и возникает загадка, почему стандартные вероятности по‑прежнему определяют рациональные ставки. Основное противоречие сохраняется между плавной эволюцией и внезапными исходами.
Квантовые стиралки без ретропричинности Может показаться, что настройки квантового стирания позволяют будущим решениям изменить прошлое. Последовательная обработка волновой функции не показывает перемещения во времени: измерения устраняют альтернативы и интерференцию; стирание восстанавливает способность возможностей к рекомбинации. Для объяснения наблюдений не требуется ничего, кроме обычного коллапса. Интерпретации различаются, а прогнозы - нет.
Что делает физику “квантовой” Квантовая теория означает, что некоторые переменные не могут одновременно иметь точные значения, что приводит к соблюдению принципа неопределенности. Добавление теории относительности приводит к квантовой теории поля, в которой поля являются фундаментальными, а число частиц колеблется. Попытка сделать то же самое с гравитацией приводит к серьезным конфликтам, которые не находят решения в течение полувека. Квантовая гравитация остается непреодолимым препятствием.
Узнавать, наблюдая за движением вещей Мы учимся, отслеживая движение: аномалии в траекториях планет указывают на Нептун; движение звезд и галактик указывает на темную материю; космическое расширение указывает на темную энергию. Эксперименты по рассеянию позволяют определить структуру ядра по тому, как отклоняются снаряды. От молекул до галактик изменения кодируют скрытую архитектуру. В готовящейся к выходу книге рассказывается о детерминизме, интерпретации и открытиях через историю движения.