A szuperszimmetria vagy Fermi-Bose szimmetria egy hipotetikus szimmetria , amely a természetben összekapcsolja a bozonokat és a fermionokat [1] . Az absztrakt szuperszimmetria-transzformáció összekapcsolja a bozonikus és a fermionikus kvantumtereket, így azok egymásba fordulhatnak. Képletesen azt mondhatjuk, hogy a szuperszimmetria átalakulása az anyagot kölcsönhatásba ( vagy sugárzásba ) fordíthatja, és fordítva.
A szuperszimmetria magában foglalja az ismert elemi részecskék számának (legalább) megkétszerezését a szuperpartnerek jelenléte miatt. Foton - photino , kvark - squark , higgs - higgsino , W- boson - win , gluon - gluino és így tovább. A szuperpartnereknek olyan spinértékkel kell rendelkezniük, amely fél egész számmal különbözik az eredeti részecske spinértékétől [2] [3] .
A szuperszimmetria olyan fizikai hipotézis, amelyet kísérletileg nem erősítettek meg. Abszolút bebizonyosodott, hogy világunk nem szuperszimmetrikus az egzakt szimmetria értelmében, hiszen bármely szuperszimmetrikus modellben a szuperszimmetrikus transzformációval összekapcsolt fermionoknak és bozonoknak azonos tömegű , töltési és egyéb kvantumszámokkal kell rendelkezniük (a spin kivételével ). Ez a követelmény a természetben ismert részecskék esetében nem teljesül. Feltételezzük azonban, hogy van egy energiahatár, amelyen túl a mezők szuperszimmetrikus átalakulásoknak vannak kitéve, de a határon belül nem. Ebben az esetben a közönséges részecskék szuperpartner részecskéi nagyon nehéznek bizonyulnak a közönséges részecskékkel összehasonlítva [4] .
A közönséges részecskék szuperpartnereinek keresése a modern nagyenergiájú fizika egyik fő feladata [4] . Várhatóan a Large Hadron Collider [5] képes lesz szuperszimmetrikus részecskéket felfedezni és megvizsgálni, ha léteznek, vagy megkérdőjelezni a szuperszimmetrikus hipotéziseket, ha nem találnak semmit.
A szuperszimmetriát először Julius Wess osztrák fizikus és Bruno Zumino olasz fizikus javasolta 1973-ban a magrészecskék leírására [6] [7] . Az elmélet matematikai apparátusát még korábban, 1971–1972-ben fedezték fel Jurij Golfand és Jevgenyij Likhtman [8] szovjet fizikusok a FIAN -tól , valamint Dmitrij Volkov és Vladimir Akulov [9] [10] [11] a KIPT -től . A szuperszimmetria először a húrelmélet Pierre Ramon, John Schwartz és André Neveu által javasolt változatával összefüggésben merült fel , de a szuperszimmetria-algebrát később a fizika más területein is sikeresen alkalmazták.
A modern nagyenergiájú fizika fő fizikai modellje, a Standard Modell nem szuperszimmetrikus, hanem kiterjeszthető egy szuperszimmetrikus elméletre. A szabványos modell minimális szuperszimmetrikus kiterjesztését "minimális szuperszimmetrikus szabványos modellnek" (MSSM) nevezik. Az MSSM-ben további mezőket kell hozzáadni annak érdekében, hogy szuperszimmetrikus multipleteket hozzunk létre a standard modell minden mezőjével. Az anyagi fermionmezők - kvarkok és leptonok - esetében be kell vezetni a skaláris mezőket - squarkokat és sleeponokat , a Standard Modell minden egyes mezőjéhez két mezőt. A vektoros bozonikus mezők esetében – gluonok , fotonok , W- és Z-bozonok – a gluino , a foton , a zino és a bor fermionmezőit vezetik be , szintén kettőt a Standard Modell minden egyes szabadsági fokához. Az MSSM elektrogyenge szimmetriájának megtöréséhez 2 Higgs -dublettet kell bevezetni (a szokásos szabványos modellben egy Higgs-dublettet vezetnek be), vagyis az MSSM-ben 5 Higgs-féle szabadságfok keletkezik - egy töltött Higgs-bozon (2 szabadsági fok). , egy könnyű és nehéz skaláris Higgs - bozon és egy pszeudoszkaláris Higgs-bozon.
Minden reális szuperszimmetrikus elméletben kell lennie egy szektornak, amely megtöri a szuperszimmetriát. A szuperszimmetria legtermészetesebb megsértése az úgynevezett soft breaking kifejezések bevezetése a modellbe. A szuperszimmetria-törés több változatát is fontolgatják .
Az MSSM első változatát Howard Georgi és Savas Dimopoulos amerikai fizikusok javasolták 1981-ben .
A szuperszimmetriát tartalmazó elméletek lehetőséget adnak a standard modellben rejlő számos probléma megoldására:
Függetlenül attól, hogy a természetben létezik-e szuperszimmetria, a szuperszimmetrikus elméletek matematikai apparátusa a fizika különféle területein hasznosnak bizonyul. Különösen a szuperszimmetrikus kvantummechanika teszi lehetővé, hogy pontos megoldásokat találjunk a rendkívül nem triviális Schrödinger-egyenletekre . A szuperszimmetria hasznosnak bizonyul a statisztikai fizika egyes problémáinál (például a szuperszimmetrikus szigma modellnél).
A szuperszimmetrikus kvantummechanika abban különbözik a kvantummechanikától, hogy magában foglalja a SUSY szuperalgebrát, szemben a kvantumtérelmélettel. A szuperszimmetrikus kvantummechanika gyakran válik relevánssá a szuperszimmetrikus szolitonok dinamikájának tanulmányozása során, és a mezők leegyszerűsítő jellege miatt, amelyek időtől (nem pedig téridőtől) függnek, ebben a megközelítésben nagy előrelépés történt, és az elméletet jelenleg tanulmányozzák. saját joga.
A SUSY kvantummechanika azokat a Hamilton-párokat veszi figyelembe, amelyek egy bizonyos matematikai kapcsolatban állnak, ezeket partner Hamilton -pároknak nevezik . És a Hamilton-féle potenciális energia megfelelő kifejezéseit partnerpotenciáloknak nevezzük . A főtétel azt mutatja, hogy egy Hamilton-féle minden sajátállapothoz a Hamilton-partner rendelkezik egy megfelelő, azonos energiájú sajátállapottal. Ez a tény felhasználható a sajátérték-spektrum számos tulajdonságának származtatására. Ez analóg a SUSY új leírásával, amely bozonokra és fermionokra utalt. Elképzelhető egy "bozonikus Hamilton-féle", amelynek sajátállapotai elméletünk különböző bozonjai. És ennek a Hamilton-félenek a SUSY partnere a „fermion”, sajátállapotai pedig az elmélet fermionjai. Minden bozonnak lesz egy azonos energiájú fermionpartnere.
A SUSY koncepciója hasznosnak bizonyult a félklasszikus közelítések egyes alkalmazásaiban . Ezen túlmenően, a SUSY-t kvantum- és nem-kvantum-rendellenességgel rendelkező rendszerekre is alkalmazzák ( statisztikai mechanikán keresztül ), a Fokker-Planck egyenlet egy nem-kvantumelmélet példája. A „szuperszimmetria” ezekben a rendszerekben abból fakad, hogy egyetlen részecskét modelleznek, így a „statisztika” irreleváns. A szuperszimmetria módszer alkalmazása matematikailag szigorú alternatívát biztosít a replika módszerrel szemben, de csak nem kölcsönható rendszerekben, amely megpróbálja megoldani az úgynevezett "nevező problémát", amikor átlagoljuk a rendezetlenséget. A szuperszimmetria alkalmazásairól a kondenzált anyag fizikában lásd Efetov (1997) [15] .
2011-ben a Large Hadron Collider (LHC) kísérletsorozatot végeztek, amelyek során a szuperszimmetria elmélet alapvető következtetéseit, valamint a fizikai világ leírásának helyességét tesztelték. Amint azt a Liverpooli Egyetem professzora, Tara Shears 2011. augusztus 27-én kijelentette , a kísérletek nem erősítették meg az elmélet főbb rendelkezéseit [16] [17] . Tara Shears egyúttal tisztázta, hogy a szuperszimmetria-elmélet egyszerűsített változatát sem erősítették meg, de a kapott eredmények nem cáfolják az elmélet bonyolultabb változatát.
2012 végére a Nagy Hadronütköztető LHCb detektorában egy furcsa B-mezon két müonra bomlásáról szóló statisztikák halmozódtak fel [18] . Az előzetes eredmények megegyeztek a Standard Modell (3,66 ± 0,23)⋅10 -9 előrejelzésével, míg szuperszimmetrikus kiterjesztése a bomlás nagyobb valószínűségét jósolja. 2015 tavaszán az LHCb és a CMS együttműködései a furcsa B mezon bomlására vonatkozó adataikat müon-antimuon párba egyesítették, és 2,8 -as bomlási valószínűséget kaptak.+0,7
−0,6⋅10 -9 6,2 σ statisztikai szignifikancia szinttel . Így ennek a rendkívül ritka eseménynek a valószínűsége statisztikailag szignifikáns, és jól egyezik a Standard Modell előrejelzésével. [19] .
Az elektron elektromos dipólusmomentumának ellenőrzésének eredményei (2013) szintén nem erősítették meg a szuperszimmetrikus elméletek változatait [20] .
Mindazonáltal a szuperszimmetrikus elméletek megerősíthetők más kísérletekkel, különösen a semleges B 0 mezon bomlásának megfigyelésével. [21] . A 2015 tavaszi újraindítás után az LHC azt tervezi, hogy 13 TeV -on kezdi meg működését, és továbbra is keresi az eltéréseket a Standard Modell statisztikai előrejelzéseitől. [22] [23] .
A szuperszimmetria elméletét megerősítő kísérleti adatok hiánya oda vezetett, hogy még a szuperszimmetria-elmélet korábbi rajongói körében is megjelentek az elmélet kritikusai. Tehát Mikhail Shifman teoretikus kritikai cikket publikált még 2012 októberében [24] . A cikkben egyenesen azt írta, hogy a szuperszimmetria elméletének nincs perspektívája, az új ötletek kedvéért és az elméleti fizikusok új nemzedékének érdekében fel kell hagyni vele (hogy ne váljanak elveszett generációvá).
Részecskék a fizikában | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
alapvető részecskék |
| ||||||||||||
Kompozit részecskék |
| ||||||||||||
standard modellen túl | Fizika a|
---|---|
Bizonyíték | |
elméletek | |
szuperszimmetria | |
kvantumgravitáció | |
Kísérletek |