Pri tejto zrážke zaznamenanej detektorom ATLAS 18. mája 2012 sa Higgsov bozón rozpadá.
(Obrázok: © ATLAS)
Paul M. Sutter je astrofyzik v SUNY Stony Brook a Flatiron Institute, host Spýtajte sa Spaceman a Vesmírne rádioa autor knihy „Vaše miesto vo vesmíre.„Sutter prispel k tomuto článku Hlasy expertov Space.com: Op-Ed & Insights.
Symetrie v prírode poháňa naše základné chápanie vesmíru, od univerzálnej gravitácie po zjednotenie vesmíru sily prírody pri vysokých energiách.
V sedemdesiatych rokoch objavili fyzici potenciálnu symetriu, ktorá spájala všetky druhy častíc v našom vesmíre, od elektrónov k fotónom a všetkému medzi nimi. Toto spojenie, známe ako supersymmetry, spolieha sa na podivnú kvantovú vlastnosť rotácie a potenciálne drží kľúč k odomknutiu nového chápania fyziky.
Symetrie sú sila
Po stáročia symetria umožňovala fyzikom nájsť základné súvislosti a základné vzťahy v celom vesmíre. Kedy Isaac Newton Najprv klikol na myšlienku, že gravitácia, ktorá vytiahne jablko zo stromu, je presne rovnakou silou, ktorá udržuje mesiac na obežnej dráhe okolo Slnka, objavil symetriu: gravitačné zákony sú skutočne univerzálne. Tento pohľad mu umožnil urobiť obrovský skok v porozumení toho, ako príroda funguje.
V priebehu 18. storočia sa fyzici z celého sveta rozprávali o zvláštnych vlastnostiach elektriny, magnetizmu a žiarenia. Čo spôsobilo, že elektrický prúd stekal po drôte? Ako by mohol rotujúci magnet tlačiť ten istý prúd okolo? Boli svetlo alebo vlna? Desiatky rokov ťažkého uvažovania vyvrcholili čistým matematickým prielomom James Clerk Maxwell, ktorý zjednotil všetky tieto odlišné oblasti skúmania v rámci jedného súboru jednoduchých rovníc: elektromagnetizmus.
Albert Einstein urobil jeho známka príliš tým, že urobí Newtonove poznatky o krok ďalej. Berúc za maximum, že všetky fyzikálne zákony by mali byť rovnaké bez ohľadu na vašu pozíciu alebo rýchlosť, odhalil špeciálna relativita; Aby sa zachovala táto symetria prírody, museli sa prepísať pojmy čas a priestor. A pridanie gravitácie k tejto zmesi ho viedlo k všeobecná relativita, naše moderné chápanie tejto sily.
Aj naše zákony na ochranu prírody - zachovanie energie, zachovanie hybnosti atď. - závisia od symetrie. Skutočnosť, že môžete experimentovať každý deň a získať rovnaký výsledok, odhaľuje symetriu v čase, ktorá prostredníctvom matematického génia Emmy Noether vedie k zákonu o konverzácii energie. A ak vyzdvihnete svoj experiment a presuniete ho po miestnosti a stále dosiahnete rovnaký výsledok, práve ste odhalili symetriu v priestore a zodpovedajúcu ochranu hybnosti.
Spináčske zrkadlo
V makroskopickom svete to zhŕňa všetky symetrie, s ktorými sme sa v prírode stretli. Ale subatomický svet je iný príbeh. Základné častice náš vesmír majú zaujímavú vlastnosť známu ako „spin“. Pri pokusoch sa prvýkrát zistilo, že atómy strieľali cez rôzne magnetické pole a spôsobovali, že sa ich dráhy vychýlili presne rovnakým spôsobom, ako by sa točila elektricky nabitá kovová guľa.
Subatomické častice sa však netočia, elektricky nabité kovové gule; v určitých experimentoch sa správajú rovnako. A na rozdiel od svojich analógov v bežnom svete nemôžu mať subatomárne častice ľubovoľnú rotáciu. Namiesto toho dostane každý druh častice svoje vlastné jedinečné množstvo rotácie.
Z rôznych nejasných matematických dôvodov majú niektoré častice, ako je elektrón, rotáciu 1/2, zatiaľ čo iné častice, ako je fotón, majú rotáciu 1. príliš sa nepoti; môžete slobodne myslieť na „točenie“ ako na ďalšiu vlastnosť subatomárnych častíc, ktoré musíme sledovať, napríklad ich hmotnosť a náboj. A niektoré častice majú viac tejto vlastnosti a iné majú menej.
Všeobecne existujú dve veľké „rodiny“ častíc: častice s polovičným číslom (1/2, 3/2, 5/2 atď.), Ktoré sa točia, a častice s celým číslom (0, 1, 2 atď.) .) odstreďovanie. Polmesiace sa nazývajú „fermióny“ a sú tvorené stavebnými kameňmi nášho sveta: elektrónmi, kvarkmi, neutrínami a tak ďalej. Wholyies sa nazývajú „bozóny“ a sú nositeľmi prírodných síl: fotónov, gluónov a ostatných.
Na prvý pohľad sa tieto dve rodiny častíc nemohli líšiť.
Symfónia častíc
V 70. rokoch 20. storočia strunoví teoretici začal sa kriticky pozerať na túto vlastnosť špirály a začal sa pýtať, či tu nemôže byť symetria prírody. Myšlienka sa rýchlo rozšírila mimo strunovej komunity a stala sa aktívnou oblasťou výskumu časticovej fyziky. Ak je to pravda, táto „supersymetria“ by spojila tieto dve zdanlivo odlišné rodiny častíc. Ako by však vyzerala táto supersymetria?
Základnou myšlienkou je, že v supersymetrii by mala každá fermión „superpartnerovú časticu“ (alebo „časticu“) - v bosónovom svete by sa jej mená len zhoršovali a naopak, s presne rovnakou hmotnosťou a nabíjanie, ale iné otočenie.
Ale ak pôjdeme hľadať častice, nenájdeme ich. Napríklad, častice elektrónu ("selektón") by mali mať rovnakú hmotnosť a náboj ako elektrón, ale spin 1.
Táto častica neexistuje.
Takže táto symetria musí byť nejako narušená v našom vesmíre, čím sa zvyšujú masy častíc mimo dosahu našich zrážačov častíc. Existuje veľa rôznych spôsobov, ako dosiahnuť supersymetriu, pričom všetky predpovedajú rôzne hmotnosti pre selektóny, stop kvarky, sneutrína a všetkých ostatných.
K dnešnému dňu sa nenašli žiadne dôkazy o supersymetrii a experimenty na Veľký Hadron Collider vylúčili najjednoduchšie supersymetrické modely. Aj keď to nie je celkom posledný klinec v rakve, teoretici poškriabajú hlavy a pýtajú sa, či sa supersymetria v prírode skutočne nenachádza, a čo by sme mali myslieť na ďalšie, ak nič nedokážeme nájsť.
- Vesmír: Veľký tresk teraz v 10 jednoduchých krokoch
- Teoretici „supergravity“ získajú Fyzickú prielomovú cenu 3 milióny dolárov
- Záhadné častice vytekajúce z fyziky Antarktídy vzdorujú
Ďalšie informácie získate po vypočutí epizódy "Stojí za to teória strún? (Časť 4: Potrebujeme superhrdinu)." na podcastu Ask A Spaceman, ktorý je k dispozícii na stránke iTunesa na webe na adrese http://www.askaspaceman.com, Vďaka Johnovi 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, ktoré viedli k tomuto dielu! Svoju vlastnú otázku položte na Twitteri pomocou #AskASpaceman alebo sledovaním Paula @PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter, sledujte nás na Twitteri @Spacedotcom alebo Facebook.
