Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Запределами стандартной модели элементарных частиц

17.04.2012 Наука и жизнь

Стандартная модель (СМ) элементарных частиц, базирующаяся на калибровочной симметрии, — прекрасное творение Мюррея Гелл-Манна, Шелдона Глэшоу, Стивена Вайнберга, Абдуса Салама и целой плеяды блестящих ученых. СМ замечательно обрисовывает сотрудничества между лептонами и кварками на расстояниях порядка 10−17 м (1 процентов диаметра протона), каковые возможно изучать на современных ускорителях. Но она начинает буксовать уже на расстояниях в 10−18 м и тем более не снабжает продвижения к заветному планковскому масштабу в 10−35 м.

Считается, что именно там все фундаментальные сотрудничества сливаются в квантовом единстве. На смену СМ когда-нибудь придет более полная теория, которая, вероятнее, также не станет последней и окончательной. Ученые пробуют отыскать замену Стандартной модели.

Многие уверены в том, что новая теория будет выстроена методом расширения перечня симметрий, образующих фундамент СМ. Один из самые перспективных подходов к ответу данной задачи был заложен не только вне связи с проблемами СМ, но кроме того до ее создания.Запределами стандартной модели элементарных частиц

Смесь противоположностей

В конце 1960-х научный сотрудник теоротдела ФИАН Юрий Гольфанд внес предложение собственному аспиранту Евгению Лихтману обобщить математический аппарат, используемый для описания симметрий четырехмерного пространства-времени особой теории относительности (пространства Минковского).

Лихтман понял, что эти симметрии возможно объединить с внутренними симметриями квантовых полей с ненулевыми поясницами. Наряду с этим образуются семейства (мультиплеты), объединяющие частицы с однообразной массой, владеющие целым и полуцелым поясницей (в противном случае говоря, фермионы и бозоны). Это было и новым, и непонятным, потому, что те и другие подчиняются различным типам квантовой статистики.

Бозоны смогут накапливаться в одном и том же состоянии, а фермионы следуют принципу Паули, строго запрещающему кроме того парные альянсы этого рода. Исходя из этого происхождение бозонно-фермионных мультиплетов смотрелось математической экзотикой, не имеющей отношения к настоящей физике. Так это и было воспринято в ФИАН.

Позднее в собственных «Воспоминаниях» Андрей Сахаров назвал объединение фермионов и бозонов великой идеей, но в то время она не показалась ему занимательной.

Лихтман в первой половине 70-ых годов двадцатого века защитил диссертацию, а позже ушел в ВИНИТИ и практически закинул теорфизику. Гольфанда выгнали с работы из ФИАН по сокращению штатов, и он продолжительно не имел возможности отыскать работы. Но сотрудники Украинского физтех университета Дмитрий Владимир и Волков Акулов также открыли симметрию между фермионами и бозонами а также воспользовались ею для описания нейтрино. Действительно, никаких лавров ни москвичи, ни харьковчане тогда не получили.

Только во второй половине 80-ых годов XX века Гольфанд и Лихтман стали лауреатами премии АН СССР по теоретической физике имени И.Е. Тамма. В 2009 году Владимир Акулов (на данный момент он преподает физику в Техническом колледже Муниципального университета Нью-Йорка) и Дмитрий Волков (посмертно) удостоились Национальной премии Украины за научные изучения.

Рождение суперсимметрии

На Западе смеси бозонных и фермионных состояний в первый раз показались в зарождающейся теории, воображающей элементарные частицы не точечными объектами, а вибрациями одномерных квантовых струн.

В первой половине 70-ых годов двадцатого века была выстроена модель, в которой с каждой вибрацией бозонного типа сочеталась парная ей фермионная вибрация. Действительно, эта модель трудилась не в четырехмерном пространстве Минковского, а в двумерном пространстве-времени струнных теорий. Но уже в первой половине 70-ых годов XX века австриец Юлиус Весс и итальянец Бруно Зумино доложили в ЦЕРН (а годом позднее разместили статью) о четырехмерной суперсимметричной модели с одним фермионом и одним бозоном.

Она не претендовала на описание элементарных частиц, но демонстрировала возможности суперсимметрии на наглядном и очень физичном примере. Скоро эти же ученые доказали, что найденная ими симметрия есть расширенной версией симметрии Гольфанда и Лихтмана. Вот и оказалось, что в течение трех лет суперсимметрию в пространстве Минковского независимо друг от друга открыли три пары физиков.

Результаты Весса и Зумино подтолкнули создание теорий с бозонно-фермионными смесями. Потому, что эти теории связывают калибровочные симметрии с симметриями пространства-времени, их назвали суперкалибровочными, а позже суперсимметричными. Они предвещают существование множества частиц, ни одна из которых еще не открыта.

Так что суперсимметричность настоящего мира все еще остается гипотетической. Но кроме того если она и существует, то не может быть строгой, в противном случае электроны владели бы заряженными бозонными родичами с совершенно верно такой же массой, которых легко возможно было бы найти. Остается высказать предположение, что суперсимметричные партнеры известных частиц очень массивны, а это вероятно только при нарушении суперсимметрии.

Суперсимметричная идеология вошла в силу в середине 1970-х годов, в то время, когда уже существовала Стандартная модель. Конечно, что физики принялись строить ее суперсимметричные расширения, иными словами, вводить в нее симметрии между фермионами и бозонами. Первая реалистичная версия суперсимметричной СМ, названную минимальной (Minimal Supersymmetric Standard Model, MSSM), была предложена Говардом Джорджи и Савасом Димопулосом в первой половине 80-ых годов XX века.

Практически это та же Стандартная модель со всеми ее симметриями, но к каждой частице добавлен партнер, чей спин отличается от ее поясницы на ½, — бозон к фермиону и фермион к бозону.

Исходя из этого все сотрудничества СМ остаются на месте, но обогащаются сотрудничествами новых частиц со ветхими и между собой. Позднее появились и более сложные суперсимметричные версии СМ. Все они сопоставляют уже известным частицам тех же партнеров, но разным образом растолковывают нарушения суперсимметрии.

Частицы и суперчастицы

Заглавия суперпартнеров фермионов строятся посредством приставки «с» — сэлектрон, смюон, скварк. Суперпартнеры бозонов обзаводятся окончанием «ино»: фотон — фотино, глюон — глюино, Z-бозон — зино, W-бозон — вино, бозон Хиггса — хиггсино.

Спин суперпартнера любой частицы (за исключением бозона Хиггса) неизменно на ½ меньше ее собственного поясницы. Следовательно, партнеры электрона, прочих фермионов и кварков (и, конечно, и их античастиц) имеют нулевой спин, а партнеры векторных бозонов и фотона с единичным поясницей — половинный. Это связано с тем, что количество состояний частицы тем больше, чем больше ее спин.

Исходя из этого замена вычитания на сложение привела бы к появлению избыточных суперпартнеров.

Заберём для примера электрон. Он может быть в двух состояниях — в одном его спин направлен параллельно импульсу, в другом — антипараллельно. С позиций СМ это различные частицы, потому, что они не в полной мере одинаково участвуют в не сильный сотрудничествах.

Частица с ненулевой массой и единичным спином может пребывать в трех разных состояниях (как говорят физики, имеет три степени свободы) и потому не годится в партнеры электрону. Единственным выходом будет приписать каждому из состояний электрона по одному суперпартнеру с нулевым поясницей и вычислять эти сэлектроны разными частицами.

Суперпартнеры бозонов Стандартной модели появляются пара умнее. Потому, что масса фотона равна нулю, то и при единичном пояснице он имеет не три, а две степени свободы. Исходя из этого ему без неприятностей сопоставляется фотино, суперпартнер с половинным поясницей, что, как и электрон, владеет двумя степенями свободы. По данной же схеме появляются глюино.

С хиггсами обстановка посложнее. В MSSM имеется два дублета хиггсовских бозонов, которым соответствует четверка суперпартнеров — два нейтральных и два разноименно заряженных хиггсино. Нейтралы смешиваются различными методами с фотино и зино и образуют четверку физически замечаемых частиц с неспециализированным именем нейтралино.

Подобные же смеси со необычным для русского уха заглавием чарджино (по-английски — chargino) образуют суперпартнеры хорошего и отрицательного W-бозонов и пары заряженных хиггсов.

Собственной спецификой владеет и обстановка с суперпартнерами нейтрино. Если бы эта частица не имела массы, ее спин всегда был бы направлен противоположно импульсу. Исходя из этого у безмассового нейтрино возможно было бы ожидать наличие единственного скалярного партнера.

Но настоящие нейтрино все же не безмассовы. Нельзя исключать, что существуют кроме этого нейтрино с спинами и параллельными импульсами, но они весьма тяжелы и еще не найдены. В случае если это вправду так, то каждой разновидности нейтрино соответствует собственный суперпартнер.

Как говорит доктор физических наук Мичиганского университета Гордон Кейн, самый универсальный механизм нарушения суперсимметрии связан с тяготением.

Но величина его вклада в веса суперчастиц еще не узнана, а оценки теоретиков противоречивы. Помимо этого, он вряд ли есть единственным. Так, Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model, NMSSM, вводит еще два хиггсовских бозона, вносящих собственные добавки в массу суперчастиц (и увеличивает число нейтралино с четырех до пяти).

Такая обстановка, отмечает Кейн, быстро умножает число параметров, заложенных в суперсимметричные теории.

Кроме того минимальное расширение Стандартной модели требует около сотни дополнительных параметров. Этому не следует удивляться, потому, что все эти теории вводят множество новых частиц. По мере появления более полных и согласованных моделей число параметров должно уменьшиться.

Когда детекторы Громадного адронного коллайдера отловят суперчастицы, новые модели не вынудят себя ожидать.

Иерархия частиц

Суперсимметричные теории разрешают устранить последовательность не сильный мест Стандартной модели. Доктор наук Кейн на первое место ставит тайную, связанную с бозоном Хиггса, которую именуют проблемой иерархии.

Эта частица получает массу на протяжении сотрудничества с кварками и лептонами (подобно тому, как они сами обретают массы при сотрудничестве с хиггсовским полем). В СМ вклады от этих частиц представлены расходящимися последовательностями с нескончаемыми суммами. Действительно, вклады фермионов и бозонов имеют различные символы и в принципе смогут полностью погасить друг друга.

Но такое погашение должно быть фактически совершенным, потому, что масса хиггса, как сейчас известно, равна только 125 ГэВ. Это не нереально, но очень маловероятно.

Для суперсимметричных теорий в этом нет ничего ужасного. При правильной суперсимметрии вклады простых частиц и их суперпартнеров должны всецело компенсировать друг друга. Потому, что суперсимметрия нарушена, компенсация выясняется неполной, и бозон Хиггса обретает конечную и, основное, вычисляемую массу. В случае если массы суперпартнеров не через чур громадны, она обязана измеряться одной-двумя сотнями ГэВ, что и соответствует действительности.

Как подчеркивает Кейн, физики стали без шуток относиться к суперсимметрии как раз тогда, в то время, когда было продемонстрировано, что она решает проблему иерархии.

На этом возможности суперсимметрии не заканчиваются. Из СМ вытекает, что в области высоких энергий сильное, не сильный и электромагнитное сотрудничества не смотря на то, что и владеют приблизительно однообразной силой, но ни при каких обстоятельствах не объединяются. А в суперсимметричных моделях при энергиях порядка 1016 ГэВ такое объединение имеет место, и это выглядит намного естественней. Эти модели предлагают кроме этого и решение проблемы чёрной материи.

Суперчастицы при распадах порождают как суперчастицы, так и простые частицы — конечно, меньшей массы. Но суперсимметрия, в отличие от СМ, допускает стремительный распад протона, которого, на отечественное счастье, реально не происходит.

Протон, а вместе с ним и целый окружающий мир возможно спасти, предположив, что в процессах с участием суперчастиц сохраняется квантовое число R-четности, которое для простых частиц равняется единице, а для суперпартнеров — минус единице. При таких условиях самая легкая суперчастица должна быть всецело стабильной (и электрически нейтральной). Распасться на суперчастицы она неимеетвозможности по определению, а чётности и-сохранение запрещает ей распадаться на частицы.

Чёрная материи может состоять как раз из таких частиц, появившихся сходу за Громадным взрывом и избежавших обоюдной аннигиляции.

В ожидании опытов

«Незадолго до открытия бозона Хиггса на базе М-теории (самый продвинутой версии теории струн) его массу предсказали с неточностью всего в два процента! — говорит доктор наук Кейн. — Были кроме этого вычислены массы сэлектронов, смюонов и скварков, каковые были через чур громадны для современных ускорителей — порядка нескольких десятков ТэВ. Суперпартнеры фотона, глюона и других калибровочных бозонов намного легче, и исходя из этого имеется шансы их найти на БАК».

Само собой разумеется, правильность этих вычислений ничем не гарантирована: М-теория — дело узкое. И все же, возможно ли найти на ускорителях следы суперчастиц? «Массивные суперчастицы должны распадаться сразу после рождения. Эти распады происходят на фоне распадов простых частиц, и конкретно выделить их весьма непросто, — растолковывает основной научный сотрудник Лаборатории теоретической физики ОИЯИ в Дубне Дмитрий Казаков. — Было бы идеально, если бы суперчастицы проявляли себя неповторимым образом, что нереально спутать ни с чем вторым, но теория этого не предвещает.

Приходится разбирать множество разных процессов и искать среди них те, каковые не в полной мере разъясняются Стандартной моделью. Эти поиски пока не увенчались успехом, но у нас уже имеется ограничения на веса суперпартнеров. Те из них, каковые участвуют в сильных сотрудничествах, должны тащить как минимум на 1 ТэВ, тогда как массы других суперчастиц смогут варьировать между сотнями и десятками ГэВ.

В ноябре 2012 года на симпозиуме в Киото были доложены экспериментальные результаты на БАК, на протяжении которых в первый раз удалось надежно зарегистрировать весьма редкий распад Bs-мезона на мюон и антимюон. Его возможность образовывает примерно три миллиардных, что прекрасно соответствует предсказаниям СМ. Потому, что ожидаемая возможность этого распада, вычисленная на базе MSSM, может оказаться многократно большей, кое-кто сделал вывод, что с суперсимметрией покончено.

Но эта возможность зависит от нескольких малоизвестных параметров, каковые смогут давать как большой, так и небольшой вклад в конечный итог, тут еще большое количество неясного. Исходя из этого ничего ужасного не случилось, и слухи о смерти MSSM очень сильно преувеличены. Но из этого вовсе не нужно, что она неуязвима. БАК пока не работает на полную мощность, он выйдет на нее только через два года, в то время, когда энергию протонов доведут до 14 ТэВ.

И вот в случае если тогда не найдется никаких проявлений суперчастиц, то MSSM, вероятнее, погибнет естественной смертью и настанет время новых суперсимметричных моделей.

Но имеется и вторая стратегия, не связанная с БАК. До тех пор пока в ЦЕРН трудился электронно-позитронный коллайдер LEP, на нем искали самые лёгкие из заряженных суперчастиц, чьи распады должны порождать наилегчайших суперпартнеров. Эти частицы-предшественники легче зарегистрировать, потому, что они заряжены, а легчайший суперпартнер нейтрален. Опыты на LEP продемонстрировали, что масса таких частиц не превышает 104 ГэВ.

Это не верно уж большое количество, но их тяжело найти на БАК из-за большого фона. Исходя из этого на данный момент началось перемещение за постройку для их поиска сверхмощного электрон-позитронного коллайдера. Но это весьма дорогая машина, в недалеком будущем ее уж точно не выстроят».

открытия и Закрытия

Но, как вычисляет доктор наук теоретической физики Университета Миннесоты Михаил Шифман, измеренная масса бозона Хиггса через чур громадна для MSSM, и эта модель, вероятнее, уже закрыта:

«Действительно, ее пробуют спасти посредством разных надстроек, но они столь неизящны, что имеют малые шансы на успех. Быть может, что другие расширения сработают, но в то время, когда и как, узнаем позже. Но данный вопрос выходит за рамки чистой науки. Нынешнее финансирование физики высоких энергий держится на надежде найти на БАК что-то вправду новое.

В случае если этого не случится, финансирование урежут, и денег не хватит для постройки ускорителей нового поколения, без которых эта наука не сможет реально развиваться». Так что суперсимметричные теории так же, как и прежде подают надежды, но ожидают не дождутся решения экспериментаторов.

фермионы и Бозоны

Частицы, подчиняющиеся статистике Ферми-Дирака (фермионы с полуцелым поясницей) и Бозе-Эйнштейна (бозоны с целым поясницей). В энергетическом колодце все бозоны смогут занимать одинаковый нижний энергетический уровень, образуя конденсат Бозе-Эйнштейна. Фермионы же подчиняются принципу запрета Паули, и исходя из этого две частицы с однообразными квантовыми числами (в частности, однонаправленными поясницами) не смогут занимать одинаковый энергетический уровень.

За пределами стандарта

Имеется кроме этого возражения эстетического порядка. Как отмечает Сергей Троицкий, СМ устроена очень некрасиво. Она содержит 19 численных параметров, каковые определяются опытом и, с позиций здравого смысла, принимают очень экзотические значения.

К примеру, вакуумное среднее поле Хиггса, отвечающее замассы элементарных частиц, равняется 240 ГэВ. Неясно, из-за чего данный параметр в 1017 раз меньше параметра, определяющего гравитационное сотрудничество. Хотелось бы иметь более полную теорию, которая разрешит возможность определить это отношение из каких-то неспециализированных правил.

СМ не растолковывает и огромной отличия между весами самых легких кварков, из которых сложены нейтроны и протоны, и массой top-кварка, превышающей 170 ГэВ (во всем остальном он ничем не отличается от u-кварка, что практически в 10 000 раз легче). Откуда берутся помой-му однообразные частицы со столь разными весами, пока неясно.

Минимальная суперсимметричная стандартная модель: Ученые пробуют отыскать замену Стандартной модели элементарных частиц. Многие уверены в том, что новая теория будет выстроена методом расширения перечня симметрий, образующих фундамент СМ.

Суперсимметрия

Слева — Стандартная модель (СМ) элементарных частиц: фермионы (кварки, лептоны) и бозоны (переносчики сотрудничеств). Справа — их суперпартнеры в Минимальной суперсимметричной стандартной модели, MSSM: бозоны (скварки, слептоны) и фермионы (суперпартнеры переносчиков сотрудничеств). Пять бозонов Хиггса (на схеме обозначены одним синим знаком) кроме этого имеют собственных суперпартнеров — пятерку хиггсино.

Статья «Больше, чем симметрия» размещена в издании «Популярная механика» (№124, февраль 2013).

Случайные записи:

Стандартная модель фундаментальных взаимодействий — Дмитрий Казаков


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , , ,