Při této srážce zaznamenané detektorem ATLAS 18. května 2012 se Higgsův boson rozpadá.
(Obrázek: © ATLAS)
Paul M. Sutter je astrofyzik v SUNY Stony Brook a Flatiron Institute, hostitel Zeptejte se Spacemana a Vesmírné rádio, a autorVaše místo ve vesmíru.„Sutter přispěl k tomuto článku Odborné hlasy Space.com: Op-Ed & Insights.
Symetrie v přírodě moc naše základní chápání vesmíru, od univerzálnosti gravitace po sjednocení síly přírody při vysokých energiích.
V 70. letech 20. století odhalili fyzici potenciální symetrii, která spojila všechny druhy částic v našem vesmíru, od elektronů k fotonům a vše mezi tím. Toto spojení, známé jako supersymetrie, spoléhá se na podivnou kvantovou vlastnost spinu a potenciálně drží klíč k odblokování nového porozumění fyzice.
Symetrie jsou moc
Po celá staletí symetrie umožňovala fyzikům najít základní souvislosti a základní vztahy v celém vesmíru. Když Isaac Newton nejprve klikl na myšlenku, že gravitace, která táhne jablko ze stromu, je přesně stejná síla, která udržuje měsíc na oběžné dráze kolem Slunce, objevil symetrii: gravitační zákony jsou skutečně univerzální. Tento vhled mu umožnil udělat obrovský skok v pochopení toho, jak příroda funguje.
V průběhu osmdesátých let 20. století se fyzici z celého světa nechali hádat o podivných vlastnostech elektřiny, magnetismu a záření. Co způsobilo, že elektrický proud stékal drátem? Jak by mohl spřádací magnet tlačit stejný proud kolem? Bylo světlo vlna nebo částice? Desítky let obtížného uvažování vyvrcholily čistým matematickým průlomem James Clerk Maxwell, který sjednotil všechny tyto odlišné oblasti výzkumu v rámci jedné sady jednoduchých rovnic: elektromagnetismus.
Albert Einstein udělal také svou značku tím, že vzal Newtonovy postřehy o krok dále. Jako maximum, že všechny fyzické zákony by měly být stejné bez ohledu na vaši pozici nebo rychlost, odhalil speciální relativita; Aby se zachovala tato symetrie přírody, muselo být přepsáno pojetí času a prostoru. A přidání gravitace k této směsi ho vedlo k obecná relativita, naše moderní chápání této síly.
I naše zákony na ochranu přírody - zachování energie, zachování hybnosti atd. - závisí na symetrii. Skutečnost, že můžete experimentovat každý den a získat stejný výsledek, odhaluje symetrii v čase, která prostřednictvím matematického génia Emmy Noetherová vede k zákonu o konverzaci energie. A pokud svůj experiment vyzvednete a přesunete jej po místnosti a stále dosáhnete stejného výsledku, právě jste objevili symetrii v prostoru a odpovídající zachování hybnosti.
Rotující zrcadlo
V makroskopickém světě to shrnuje všechny symetrie, se kterými jsme se v přírodě setkali. Subatomický svět je ale jiný příběh. Základní částice náš vesmír mají zajímavou vlastnost známou jako „rotace“. V experimentech bylo poprvé objeveno, že atomy střílely různým magnetickým polem, což způsobovalo jejich vychýlení přesně stejným způsobem, jakým by se točila elektricky nabitá kovová koule.
Subatomické částice se však netočí, elektricky nabité kovové koule; v určitých experimentech se chovají jako oni. A na rozdíl od jejich analogů běžného světa nemohou subatomické částice mít jakoukoli rotaci, jakou si přejí. Místo toho dostane každý druh částice své vlastní jedinečné množství rotace.
Z různých nejasných matematických důvodů mají některé částice, jako je elektron, rotaci 1/2, zatímco jiné částice, jako je foton, mají rotaci 1. Pokud přemýšlíte, jak se může foton chovat jako rotující nabitá kovová koule, pak neboj se toho příliš; můžete si jen myslet na „rotaci“ jako na další vlastnost subatomových částic, které musíme sledovat, jako je jejich hmotnost a náboj. A některé částice mají více této vlastnosti a jiné mají méně.
Obecně existují dvě velké „rodiny“ částic: částice s polovičním celočíselným (1/2, 3/2, 5/2 atd.) Spinem a částice s celočíselným (0, 1, 2 atd.) .) odstřeďování. Halfsies se nazývají "fermiony" a jsou tvořeny stavebními kameny našeho světa: elektrony, kvarky, neutrina atd. Wholyies se nazývají „bosony“ a jsou nositeli přírodních sil: fotony, gluony a zbytek.
Na první pohled se tyto dvě rodiny částic nemohly lišit.
Symfonie sparticles
V 70. letech smyčcoví teoretici začal se kriticky dívat na tuto vlastnost spinu a začal přemýšlet, jestli tam může být symetrie přírody. Myšlenka se rychle rozšířila mimo strunovou komunitu a stala se aktivní oblastí výzkumu napříč fyzikou částic. Pokud je to pravda, tato „supersymetrie“ by spojila tyto dvě zdánlivě odlišné rodiny částic. Jak by však tato supersymetrie vypadala?
Základní myšlenkou je, že v supersymetrii by každá fermiona měla „superpartnerovou částici“ (nebo „sparticle“) - v bosonovém světě - a jména se budou jen zhoršovat - a naopak, s přesně stejnou hmotností a nabíjení, ale jiné otočení.
Ale pokud půjdeme hledat částice, nenajdeme žádné. Například, částice elektronu ("selectron") by měla mít stejnou hmotnost a náboj jako elektron, ale rotace 1.
Tato částice neexistuje.
Tak nějak musí být tato symetrie v našem vesmíru porušena, vyhánět masy spartikulí mimo dosah našich srážky částic. Existuje mnoho různých způsobů, jak dosáhnout supersymetrie, to vše předpovídá různé hmotnosti pro selektrony, stop kvarky, sneutrina a všechny ostatní.
K dnešnímu dni nebyl nalezen žádný důkaz o supersymetrii a experimenty na Velký Hadron Collider vyloučili nejjednodušší supersymetrické modely. I když to není úplně poslední hřebík v rakvi, teoretici škrábají hlavy a přemýšlejí, jestli se v přírodě nenajde supersymetrie, a co bychom měli myslet na další, pokud nic nenajdeme.
- Vesmír: Velký třesk nyní v 10 snadných krocích
- Teoretici „supergravity“ získávají Prémiovou cenu za fyziku za 3 miliony dolarů
- Záhadné částice vycházející z fyziky Antarktidy vzdorují
Další informace získáte poslechem epizody "Stojí za to teorie strun?" (Část 4: Potřebujeme superhrdinu). " na podcastu Ask A Spaceman, k dispozici na iTunesa na webu na adrese http://www.askaspaceman.com. Díky Johnu C., Zachary H., @ edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @ Shrenicshah, Panos T ., Dhruv R., Maria A., Ter B., OiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @ Twblanchard, Aurie, Christopher M., @ unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. za otázky, které vedly k tomuto dílu! Zeptejte se na Twitteru pomocí #AskASpaceman nebo sledováním Paula @PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter. Sleduj nás na Twitteru @Spacedotcom nebo Facebook.
