Izvan standardnog modela: ono što ne znamo o Univerzumu. Izvan standardnog modela: Šta ne znamo o svemiru Šta je Spin
Odredbe
Standardni model se sastoji od sljedećih odredbi:
- Sva materija se sastoji od 24 fundamentalna kvantna polja spina ½, čiji su kvanti fundamentalne čestice - fermioni, koji se mogu kombinovati u tri generacije fermiona: 6 leptona (elektron, mion, tau lepton, elektronski neutrino, mionski neutrino i tau neutrino ), 6 kvarkova (u, d, s, c, b, t) i 12 odgovarajućih antičestica.
- Kvarkovi učestvuju u jakim, slabim i elektromagnetnim interakcijama; nabijeni leptoni (elektron, mion, tau-lepton) - u slabim i elektromagnetnim; neutrina - samo u slabim interakcijama.
- Sve tri vrste interakcija nastaju kao posljedica postulata da je naš svijet simetričan u odnosu na tri vrste mjerne transformacije. Čestice koje nose interakcije su bozoni:
- Za razliku od elektromagnetnih i jakih interakcija, slaba sila može miješati fermione iz različitih generacija, što dovodi do nestabilnosti svih osim najlakših čestica i do efekata kao što su CP kršenje i neutrin oscilacije.
- Vanjski parametri standardnog modela su:
- mase leptona (3 parametra, pretpostavlja se da su neutrini bez mase) i kvarkova (6 parametara), interpretiranih kao konstante interakcije njihovih polja sa poljem Higgsovog bozona,
- parametri CKM matrice miješanja kvarkova - tri ugla miješanja i jedna kompleksna faza koja narušava CP simetriju - interakcijske konstante kvarkova sa elektroslakim poljem,
- dva parametra Higsovog polja, koji su jedinstveno povezani sa njegovim vakuumskim prosekom i masom Higsovog bozona,
- tri interakcijske konstante povezane sa mernim grupama U(1), SU(2) i SU(3) i karakterišu relativne intenzitete elektromagnetnih, slabih i jakih interakcija.
Zbog činjenice da su otkrivene oscilacije neutrina, standardnom modelu je potrebno proširenje koje uvodi dodatne 3 mase neutrina i najmanje 4 parametra PMNS matrice za miješanje neutrina, slično CKM matrici za miješanje kvarka, i eventualno još 2 parametra miješanja ako su neutrini Majorane čestice. Takođe, vakuumski ugao kvantne hromodinamike se ponekad uključuje među parametre standardnog modela. Važno je napomenuti da matematički model sa skupom od 20 neparnih brojeva može opisati rezultate miliona eksperimenata sprovedenih u fizici do danas.
Izvan standardnog modela
vidi takođe
Bilješke
Književnost
- Emelyanov V. M. Standardni model i njegove ekstenzije. - M.: Fizmatlit, 2007. - 584 str. - (Fundamentalna i primijenjena fizika). - ISBN 978-5-922108-30-0
Linkovi
Wikimedia Foundation. 2010.
Pogledajte šta je “Standard Model” u drugim rječnicima:
STANDARDNI MODEL, model ELEMENTARNIH ČESTICA i njihovih interakcija, koji je najpotpuniji opis fizičke pojave vezano za struju. Čestice se dijele na HADRONE (pod utjecajem NUKLEARNIH SILA koje se pretvaraju u KVARKOVE),... ... Naučno-tehnički enciklopedijski rečnik
U fizici elementarne čestice, teorija, prema osnovnim principima. (fundamentalne) elementarne čestice su kvarkovi i leptoni. Snažna interakcija, kroz koju se kvarkovi vezuju u hadrone, nastaje razmjenom gluona. Elektroslab...... Prirodna nauka. enciklopedijski rječnik
- ... Wikipedia
Standardni model međunarodne trgovine- trenutno najrašireniji model međunarodne trgovine koji otkriva uticaj spoljne trgovine na glavne makroekonomske pokazatelje zemlje trgovanja: proizvodnju, potrošnju, socijalno blagostanje... Ekonomija: pojmovnik
- (Heckscher Ohlin model) Standardni model spoljne trgovine između zemalja (intraindustrijska trgovina) sa različitim industrijskim strukturama, nazvan po imenima njegovih švedskih kreatora. Po ovom modelu zemlje imaju istu proizvodnju...... Ekonomski rječnik
Naučna slika svijeta (SPW) (jedan od temeljnih pojmova u prirodnim naukama) je poseban oblik sistematizacije znanja, kvalitativne generalizacije i ideološke sinteze različitih naučnih teorija. Biti holistički sistem ideja o zajedničkoj... ... Wikipediji
Standardna biblioteka programskog jezika C assert.h complex.h ctype.h errno.h fenv.h float.h inttypes.h iso646.h limits.h locale.h math.h setjmp.h signal.h stdarg.h stdbool .h stddef.h ... Wikipedia
STANDARDNI KONCEPT NAUKE je oblik logičke i metodološke analize teorija prirodnih nauka, razvijen pod značajnim uticajem neopozitivističke filozofije nauke. U okviru standardnog koncepta nauke, svojstva teorije (tumačena kao ... ... Philosophical Encyclopedia
Oblik logičke i metodološke analize teorija prirodnih nauka, razvijen pod značajnim uticajem neopozitivističke filozofije nauke. U okviru standardnog koncepta nauke, svojstva teorije (tumačena kao skup naučno smislenih ... ... Philosophical Encyclopedia
Knjige
- Fizika čestica - 2013. Kvantna elektrodinamika i standardni model, O. M. Boyarkin, G. G. Boyarkina. U drugom tomu dvotomne serije, koji sadrži savremeni kurs fizike elementarnih čestica, kvantna elektrodinamika se smatra prvim primerom teorije realnih interakcija.…
Danas je standardni model jedna od najvažnijih teorijskih konstrukcija u fizici čestica, koja opisuje elektromagnetne, slabe i jake interakcije svih elementarnih čestica. Glavne odredbe i komponente ove teorije opisao je fizičar, dopisni član Ruske akademije nauka Mihail Danilov.
1
Sada je, na osnovu eksperimentalnih podataka, stvorena vrlo savršena teorija koja opisuje gotovo sve pojave koje opažamo. Ova teorija se skromno naziva “Standardni model elementarnih čestica”. Ima tri generacije fermiona: kvarkove i leptone. Ovo je, da tako kažem, građevinski materijal. Sve što vidimo oko sebe izgrađeno je od prve generacije. Uključuje u- i d-kvarkove, elektron i elektronski neutrino. Protoni i neutroni se sastoje od tri kvarka: uud i udd, respektivno. Ali postoje još dvije generacije kvarkova i leptona, koje u određenoj mjeri ponavljaju prvu, ali su teže i na kraju se raspadaju na čestice prve generacije. Sve čestice imaju antičestice koje imaju suprotan naboj.
2
Standardni model uključuje tri interakcije. Elektromagnetna sila drži elektrone unutar atoma i atome unutar molekula. Nosilac elektromagnetne interakcije je foton. Jaka sila drži protone i neutrone unutra atomsko jezgro, i kvarkovi unutar protona, neutrona i drugih hadrona (kako je L.B. Okun predložio da nazove čestice koje učestvuju u jakoj interakciji). Snažna interakcija uključuje kvarkove i hadrone izgrađene od njih, kao i nosioce same interakcije - gluone (od engleskog glue - ljepilo). Hadroni se sastoje ili od tri kvarka, poput protona i neutrona, ili od kvarka i antikvarka, poput, recimo, π± mezona, koji se sastoji od u- i anti-d-kvarkova. Slaba interakcija dovodi do rijetkih raspada, kao što je raspad neutrona na proton, elektron i elektronski antineutrino. Nosioci slabe interakcije su W- i Z-bozon. I kvarkovi i leptoni učestvuju u slaboj interakciji, ali je kod naših energija veoma mala. To se, međutim, može jednostavno objasniti velika masa W- i Z-bozoni, koji su dva reda veličine teži od protona. Pri energijama većim od mase W- i Z-bozona, sile elektromagnetne i slabe interakcije postaju uporedive i spajaju se u jednu elektroslabu interakciju. Pretpostavlja se da na mnogo b O više energije i jaka interakcija će se ujediniti sa ostalima. Pored elektroslabe i jake interakcije, postoji i gravitaciona interakcija, koja nije uključena u Standardni model.
W, Z bozoni
g - gluoni
H0 je Higsov bozon.
3
Standardni model se može formulisati samo za osnovne čestice bez mase, tj. kvarkove, leptone, W i Z bozone. Da bi stekli masu, obično se uvodi Higsovo polje, nazvano po jednom od naučnika koji je predložio ovaj mehanizam. U ovom slučaju, u Standardnom modelu bi trebalo da postoji još jedna fundamentalna čestica - Higsov bozon. Potraga za ovom posljednjom ciglom u vitkoj zgradi Standardnog modela aktivno je u toku na najvećem sudaraču na svijetu - Velikom hadronskom sudaraču (LHC). Već su primljene indicije o postojanju Higsovog bozona sa masom od oko 133 mase protona. Međutim, statistička pouzdanost ovih indikacija je još uvijek nedovoljna. Očekuje se da će do kraja 2012. godine situacija postati jasnija.
4
Standardni model savršeno opisuje gotovo sve eksperimente u fizici elementarnih čestica, iako se potraga za fenomenima izvan okvira Standardnog modela uporno vodi. Najnoviji nagovještaj fizike izvan SM-a bilo je otkriće 2011. godine neočekivano velike razlike u svojstvima takozvanih šarmiranih mezona i njihovih antičestica u LHCb eksperimentu na LHC-u. Međutim, očigledno, čak i tako velika razlika može se objasniti u okviru SM. S druge strane, 2011. godine dobijena je još jedna potvrda SM, za kojom se tragalo nekoliko decenija, koja predviđa postojanje egzotičnih hadrona. Fizičari sa Instituta za teorijsku i eksperimentalnu fiziku (Moskva) i Instituta za nuklearnu fiziku (Novosibirsk) u okviru međunarodnog eksperimenta BELLE otkrili su hadrone koji se sastoje od dva kvarka i dva antikvarka. Najvjerovatnije se radi o molekulima napravljenim od mezona, koje su predvidjeli ITEP teoretičari M. B. Voloshin i L. B. Okun.
5
Uprkos svim uspjesima Standardnog modela, on ima mnogo nedostataka. Broj slobodnih parametara teorije prelazi 20, a potpuno je nejasno odakle dolazi njihova hijerarhija. Zašto je masa t-kvarka 100 hiljada puta veća od mase u-kvarka? Zašto je konstanta spajanja t- i d-kvarkova, prvi put izmjerena u međunarodnom eksperimentu ARGUS uz aktivno učešće ITEP fizičara, 40 puta manja od konstante spajanja c- i d-kvarkova? SM ne odgovara na ova pitanja. Konačno, zašto su potrebne 3 generacije kvarkova i leptona? Japanski teoretičari M. Kobayashi i T. Maskawa su 1973. godine pokazali da postojanje 3 generacije kvarkova omogućava objašnjenje razlike u svojstvima materije i antimaterije. Hipoteza M. Kobayashija i T. Maskawe potvrđena je u eksperimentima BELLE i BaBar uz aktivno učešće fizičara iz BINP-a i ITEP-a. M. Kobayashi i T. Maskawa su 2008. dobili Nobelovu nagradu za svoju teoriju
6
Postoje i fundamentalniji problemi sa standardnim modelom. Već znamo da SM nije kompletan. Iz astrofizičkih istraživanja poznato je da postoji materija koja nije u SM. Ovo je takozvana tamna materija. To je oko 5 puta više od obične materije od koje smo napravljeni. Možda je glavni nedostatak Standardnog modela nedostatak unutrašnje samodosljednosti. Na primjer, prirodna masa Higsovog bozona, koja nastaje u Standardnom modelu zbog razmjene virtuelnih čestica, mnogo je redova veličine veća od mase potrebne da se objasne uočeni fenomen. Jedno od rješenja, trenutno najpopularnije, je hipoteza supersimetrije – pretpostavka da postoji simetrija između fermiona i bozona. Ovu ideju su prvi izrazili 1971. Yu. A. Golfand i E. P. Likhtman na Institutu za fiziku Lebedev, a sada je izuzetno popularna.
7
Postojanje supersimetričnih čestica ne samo da omogućava stabilizaciju ponašanja SM-a, već pruža i vrlo prirodnog kandidata za ulogu tamne materije – najlakše supersimetrične čestice. Iako trenutno ne postoje pouzdani eksperimentalni dokazi za ovu teoriju, ona je toliko lijepa i rješava probleme Standardnog modela tako elegantno da mnogi ljudi vjeruju u nju. LHC aktivno traži supersimetrične čestice i druge alternative za SM. Na primjer, traže dodatne dimenzije prostora. Ako postoje, onda se mnogi problemi mogu riješiti. Možda gravitacija postaje jaka na relativno velikim udaljenostima, što bi također bilo veliko iznenađenje. Mogući su i drugi, alternativni Higgsovi modeli i mehanizmi za nastanak mase u osnovnim česticama. Potraga za efektima izvan standardnog modela je veoma aktivna, ali za sada neuspešna. Mnogo toga bi trebalo da bude jasnije u narednim godinama.
Kako glupo ime za najtačnije naučna teorija od svih poznatih čovečanstvu. Više od četvrtine Nobelovih nagrada za fiziku prošlog stoljeća dodijeljeno je radovima koji su direktno ili indirektno povezani sa standardnim modelom. Njegovo ime, naravno, zvuči kao da možete kupiti poboljšanje za nekoliko stotina rubalja. Svaki teoretski fizičar bi više volio “nevjerovatnu teoriju gotovo svega”, što i jest.
Mnogi se sjećaju uzbuđenja među naučnicima i u medijima koje je izazvalo otkriće Higsovog bozona 2012. godine. Ali njegovo otkriće nije bilo iznenađenje niti je došlo niotkuda - obilježilo je pedesetu godišnjicu niza pobjeda Standardnog modela. Uključuje sve fundamentalne sile osim gravitacije. Svaki pokušaj da se to opovrgne i u laboratoriji pokaže da ga treba potpuno redizajnirati - a bilo ih je mnogo - nije uspio.
Ukratko, standardni model odgovara na ovo pitanje: od čega je sve napravljeno i kako se sve drži zajedno?
Najmanji građevinski blokovi
Fizičari vole jednostavne stvari. Žele sve razbiti do suštine, pronaći najosnovnije građevne blokove. Uradite ovo ako ih ima na stotine hemijski elementi nije tako lako. Naši preci su vjerovali da se sve sastoji od pet elemenata - zemlje, vode, vatre, zraka i etra. Pet je mnogo jednostavnije od sto osamnaest. I takođe pogrešno. Sigurno znate da se svijet oko nas sastoji od molekula, a molekule od atoma. Hemičar Dmitrij Mendeljejev je to shvatio 1860-ih i predstavio atome u tabeli elemenata koja se danas uči u školi. Ali ovih hemijskih elemenata ima 118. Antimon, arsen, aluminijum, selen... i još 114.
1932. godine naučnici su znali da su svi ovi atomi sastavljeni od samo tri čestice - neutrona, protona i elektrona. Neutroni i protoni su čvrsto povezani zajedno u jezgru. Elektroni, hiljadama puta lakši od njih samih, kruže oko jezgra brzinom bliskom svjetlosti. Fizičari Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg i drugi uveli su novu nauku - kvantnu mehaniku - da objasne ovo kretanje.
Bilo bi sjajno stati tamo. Samo tri čestice. Čak je lakše od pet. Ali kako će ostati zajedno? Negativno nabijene elektrone i pozitivno nabijene protone drže zajedno sile elektromagnetizma. Ali protoni se skupljaju u jezgru i njihovi pozitivni naboji bi ih trebali odgurnuti. Čak ni neutralni neutroni neće pomoći.
Šta povezuje ove protone i neutrone? "Božanska intervencija"? Ali čak bi i božansko biće imalo problema da prati svaki od 10 80 protona i neutrona u Univerzumu, držeći ih silom volje.
Širenje zoološkog vrta čestica
U međuvremenu, priroda očajnički odbija da zadrži samo tri čestice u svom zoološkom vrtu. Čak četiri, jer trebamo uzeti u obzir foton, česticu svjetlosti koju je opisao Ajnštajn. Četiri su postala pet kada je Anderson izmjerio pozitivno nabijene elektrone - pozitrone - koji su udarali o Zemlju iz svemira. Pet je postalo šest kada je otkriven pion koji drži jezgro u celini, što je predvideo Yukawa.
Tada se pojavio mion - 200 puta teži od elektrona, ali inače njegov blizanac. Već je sedam. Nije tako jednostavno.
Do 1960-ih postojale su stotine "fundamentalnih" čestica. Umjesto dobro organiziranog periodnog sistema, postojale su samo dugačke liste bariona (teških čestica poput protona i neutrona), mezona (poput Yukawinih piona) i leptona (lakih čestica poput elektrona i neuhvatljivih neutrina), bez ikakve organizacije ili principi dizajna.
I u ovom ponoru rođen je standardni model. Nije bilo uvida. Arhimed nije iskočio iz kade vičući "Eureka!" Ne, umjesto toga sredinom 1960-ih nekoliko pametni ljudi izneo važne pretpostavke koje su ovu močvaru pretvorile prvo u jednostavnu teoriju, a zatim za pedeset godina eksperimentalna verifikacija i teorijski razvoj.
Kvarkovi. Imaju šest opcija koje mi zovemo ukusi. Poput cveća, ali ne tako ukusnog mirisa. Umjesto ruža, ljiljana i lavande, digli smo se gore-dolje, čudni i očarani, šarm i pravi kvarkovi. Godine 1964. Gell-Mann i Zweig su nas naučili kako da pomiješamo tri kvarka da napravimo barion. Proton su dva gornja kvarka i jedan donji kvark; neutron – dva donja i jedan gornji. Uzmite jedan kvark i jedan antikvark i dobićete mezon. Pion je gore ili donji kvark povezan sa gore ili dole antikvarkom. Sva materija kojom se bavimo sastoji se od gore-dole kvarkova, antikvarkova i elektrona.
Jednostavnost. Iako nije baš jednostavno, jer držati kvarkove vezane nije lako. Oni su međusobno povezani tako čvrsto da nikada nećete naći kvark ili antikvark koji luta sam po sebi. Teorija ove veze i čestica koje u njoj učestvuju, odnosno gluona, naziva se kvantna kromodinamika. Ovo je važan dio Standardnog modela, matematički složen, a na nekim mjestima čak i nerješiv za osnovne matematike. Fizičari daju sve od sebe da naprave proračune, ali ponekad matematički aparat nije dovoljno razvijen.
Drugi aspekt Standardnog modela je "leptonski model". Ovo je naslov temeljnog rada iz 1967. koji je napisao Steven Weinberg koji je kombinovao kvantnu mehaniku sa ključnim znanjem o tome kako čestice interaguju i organizirao ih u jednu teoriju. Uključio je elektromagnetizam, povezao ga sa "slabom silom" koja uzrokuje određene radioaktivne raspade i objasnio da su to različite manifestacije iste sile. Ovaj model je uključivao Higgsov mehanizam, koji daje masu osnovnim česticama.
Od tada, Standardni model predviđa eksperimentalne rezultate nakon rezultata, uključujući otkriće nekoliko varijanti kvarkova i W i Z bozona, teških čestica koje imaju istu ulogu u slabim interakcijama kao foton u elektromagnetizmu. Mogućnost da neutrini imaju masu propuštena je 1960-ih, ali je potvrđena standardnim modelom 1990-ih, nekoliko decenija kasnije.
Otkriće Higgsovog bozona 2012. godine, koje je Standardni model dugo predviđao i dugo čekalo, ipak nije bilo iznenađenje. Ali to je bila još jedna važna pobjeda Standardnog modela nad mračnim silama koje fizičari čestica redovno čekaju na horizontu. Fizičarima se ne sviđa što standardni model ne odgovara njihovoj ideji jednostavnog modela, brinu se zbog njegove matematičke nedosljednosti i traže načine da uključe gravitaciju u jednadžbu. Očigledno, ovo rezultira različitim teorijama fizike, koje mogu biti nakon Standardnog modela. Tako su se pojavile teorije velikog ujedinjenja, supersimetrije, tehnoboja i teorije struna.
Nažalost, teorije izvan Standardnog modela nisu pronašle uspješne eksperimentalne potvrde i ozbiljne rupe u Standardnom modelu. Pedeset godina kasnije, standardni model je onaj koji je najbliži teoriji svega. Neverovatna teorija skoro svega.
Koja je struktura Standardnog modela? Koja svojstva imaju čestice u Standardnom modelu? Da li je moguće postojanje četvrte generacije elementarnih čestica? Doktor fizičkih i matematičkih nauka Dmitrij Kazakov odgovara na ova i druga pitanja.
Posljednju trećinu 20. stoljeća obilježila je činjenica da je stvorena, eksperimentalno potvrđena, prihvaćena i krunisana nobelova nagrada Standardni model fundamentalnih interakcija. Šta je to?
Prije svega, to je model koji opisuje osnovne čestice materije i sve njihove interakcije. Ovaj model je model kvantne teorije polja i formulisan je kao Lagranžijan kvantna teorija polja. Ovo je teorija koja se opisuje kao kvantna mehanika polja, čiji su kvanti elementarne čestice i uključuje sve fundamentalne čestice materije. Takvih čestica nema toliko - to je šest kvarkova i šest leptona. Oni su uključeni u tri vrste: jaki, slabi i elektromagnetni. Gravitaciona interakcija u u ovom slučaju ignorišemo ga zbog njegove male veličine i nije uključen u standardni model. Dakle, tri vrste interakcija i šest vrsta čestica.
Standardni model ima strukturu, ova struktura je obično povezana sa grupama simetrije. Tri vrste interakcija - tri grupe simetrije. Sve ove grupe pripadaju istoj klasi - to su takozvane unitarne grupe. Elektromagnetne interakcije su opisane grupom simetrije SU (1), unitarnim grupama sa jednim parametrom, te je, shodno tome, jedna čestica nosilac elektromagnetnih interakcija foton. Slabe interakcije imaju grupu simetrije SU (2), već postoje tri parametra, i, shodno tome, postoje tri čestice koje nose slabe interakcije - to su W- i Z-bozon. Snažne interakcije opisuje grupa SU (3), već postoji osam parametara i, shodno tome, osam polja koja nose interakcije - zovu se gluoni. Ovo se odnosi na nosioce interakcija.
Same čestice materije takođe pripadaju predstavama grupa simetrije. Sa stanovišta grupe jakih interakcija – a u njima sudjeluju samo kvarkovi – kvarkovi se u Standardnom modelu pojavljuju u obliku trojki, odnosno imaju kvantne brojeve koji poprimaju tri vrijednosti, koje se često nazivaju riječju „boja“. ”: plava, crvena, zelena. U slabim interakcijama sve čestice se pojavljuju u obliku dubleta - ovo je najniži prikaz grupe simetrije slabih interakcija. Imamo gore i dolje kvarkove, elektron i neutrino - ovo su primjeri dva dubleta.
Zanimljivo je da se kvarkovi i leptoni međusobno ponavljaju, to se zove generacije. Postoje prva generacija, druga generacija i treća generacija Standardnog modela. Uopšteno govoreći, nije baš jasno zašto je priroda izabrala tri generacije. Postoji prva generacija čestica koje čine ceo svet koji se može posmatrati, postoji kopija - druga generacija, i postoji treća kopija - ovo je treća generacija. Standardni model uključuje. Ove čestice su fundamentalne u smislu da ne vidimo nikakvu strukturu u tim česticama.
Uopšteno govoreći, ne može se dati apsolutna tvrdnja, jer se ranije činilo da je i proton čestica bez strukture, a onda je ova struktura otkrivena. Stoga se ne može reći da su one čestice koje sada smatramo bezstrukturnim uvijek takve.
Možda će nam se u budućnosti otkriti nešto što sada nije poznato. Ali danas su te čestice koje čine Standardni model bezstrukturne tačkaste čestice - to su kvarkovi i leptoni, oni su predstavljeni kao tačkaste čestice Standardnog modela. Ako želimo da opišemo neki proces koji se odvija u prirodi, po pravilu u njemu ne učestvuju sami kvarkovi, već čestice sastavljene od kvarkova, odnosno hadrona. Leptoni - elektron, mion, taon - i dalje se u prirodi posmatraju u obliku slobodnih čestica ili čestica u interakciji. Stoga su procesi koji se opisuju sa leptonima direktno opisani Standardnim modelom, a sa hadronima - indirektno.
Na ovaj ili onaj način, sve interakcije i sve transformacije koje opažamo u prirodi, kako na malim tako i na velikim udaljenostima, opisane su Standardnim modelom.
U tom smislu, Standardni model kruniše čitavo zdanje fizike čestica i, u izvesnom smislu, čitavo zdanje fundamentalne fizike, budući da opisuje najosnovnije zakone prirode koji su danas poznati.
Koja svojstva imaju čestice uključene u standardni model? Prije svega, navikli smo da kvantni svijet opisujemo pomoću takozvanih kvantnih brojeva. Primjer kvantnog broja je električni naboj. Električni naboj je karakteristika čestice koju razumijemo. Čestice mogu biti pozitivno, negativno nabijene ili uopće ne nabijene, a električni naboj je zapravo kvantni broj koji je očuvan u prirodi. Očuvanje električnog naboja u Standardnom modelu opisano je odgovarajućom grupom simetrije, a teorija simetrije podrazumijeva očuvanje električnog naboja.
Ali to nije jedina karakteristika čestica, jer, kao što je poznato, u Standardnom modelu postoje tri grupe simetrije. Snažne interakcije opisuju objekte u boji. Boja je, naravno, uslovni koncept, samo kvantni broj koji ima tri značenja, zgodno označena bojom radi jasnoće. Dakle, naboj boje takođe ima grupu simetrije i takođe je očuvana veličina, naboj boje kvarkova je očuvan. Slabe interakcije imaju svoj naboj, zove se levoruki zbog spina - malo komplikovano ime koje ima istorijski razlog, ali to je i karakteristika slabih interakcija, to je i naelektrisanje koje je konzervirano. Dakle, sve čestice imaju kvantne brojeve, kvantne naboje, koji su očuvani, kao što slijedi iz simetrije Standardnog modela.
Postoje svojstva u standardnom modelu koja na prvi pogled nisu baš jasna. Na primjer, kada govorimo o kvarkovima, kažemo da se kvarkovi ne mogu promatrati u slobodnom stanju. Odnosno, toliko smo sigurni da kvarkovi postoje unutar hadrona da nam se više ne čini čudnim činjenica da ih ne možemo direktno promatrati. Ali svojstva koja posjeduju ove čestice su vrlo dobro demonstrirana u eksperimentu, te stoga u eksperimentu potvrđujemo sva svojstva Standardnog modela.
Postoje karakteristike koje nisu očigledne. Na primjer, Standardni model opisuje mase čestica i prelaze jedne vrste čestica u drugu, zadržavajući potrebnu simetriju. Zanimljiv primjer slaba interakcija, u kojoj se narušava niz simetrija, posebno kršenje prostornog pariteta ili narušavanje konjugacije naboja, kada se čestice zamjenjuju antičesticama.
Šta je još uključeno u standardni model? Pored kvarkova i leptona, Standardni model uključuje Higsov bozon. nastao u teoriji iz razloga što je bilo potrebno pronaći mehanizam koji bi dao masu svim česticama Standardnog modela. To je postignuto spontanim otkrivanjem simetrije, uvođenjem u teoriju dodatnog skalarnog polja, odnosno polja sa spinom nula, koje je nazvano Higsov bozon.
Dakle, puni sastav polja Standardnog modela sastoji se od šest kvarkova, šest leptona, jednog Higsovog bozona i nosilaca sva tri tipa interakcija. Sve ove čestice su eksperimentalno otkrivene. Posljednja otkrivena čestica bio je Higsov bozon – otkriven je 2012. godine. Svi ostali su otkriveni još u 20. veku, poslednji otkriveni neutrino zvao se taun neutrino, treći neutrino, a otkriven je 2000. godine. Tako je 20. vijek dovršio standardni model sa izuzetkom Higsovog bozona, a sve čestice su eksperimentalno potvrđene.
Postavlja se pitanje: da li se priča ovdje završava, ili možda postoje neke druge čestice koje još nisu ušle u standardni model, ali će morati tamo? Ili možda postoji nešto sasvim drugo što nije opisano standardnim modelom? Na sva ova pitanja postoje različiti odgovori; mi još ne znamo istinu.
Prije svega, ako govorimo o novim česticama poput novih kvarkova i novih leptona koji još nisu otkriveni, kao što sam rekao, postoje tri generacije ovih čestica u Standardnom modelu. Pitanje je: postoji li četvrta generacija? Eksperimentalno, četvrta generacija nije vidljiva. Štaviše, postoje indirektni dokazi vezani i za eksperimente fizike čestica i za kosmologiju da možda ne postoji četvrta generacija. Činjenica je da u Standardnom modelu postoji takozvani: koliko kvarkova ima i leptona. Ali za leptone (tačnije, za neutrine), broj nezavisnih neutrinskih polja jednak je tri. Postoji mala rupa za četvrtu, ali će po svoj prilici i ona uskoro biti zatvorena.
Ako je broj neutrina tri i postoji kvark-leptonska simetrija, tada je broj generacija svih ostalih čestica jednak tri, i time završavamo Standardni model.
Postoji samo jedan Higsov bozon. Mogu li ih biti dvije, četiri ili više? Odgovor je isti: možda. Možda postoje i drugi Higgsovi bozoni; možda smo do sada otkrili samo jedan. Ali teorija dozvoljava prisustvo velikog broja Higgsovih bozona. Da li postoje ili ne, pitanje je za eksperiment. U tom smislu može se ispostaviti da standardni model još nije potpun, a nove čestice će se tek otkrivati. Ali možda i nije - dovoljan je jedan bozon da svim česticama da masu.
Nove interakcije - govorili smo o tri vrste interakcija koje su uključene u Standardni model, a sve su implementirane kao razmjena nosilaca, mjernih polja sa spin jednim. U određenom smislu, Higsov bozon se može smatrati nosiocem četvrte interakcije, kada se ponaša kao nosilac interakcije sa spinom nula. Ali ima li još toga? Postoje li neke nove interakcije ili neke nove grupe simetrije šire od Standardnog modela? Nije li standardni model dio neke općenitije teorije? Ovo pitanje je takođe otvoreno. Moguće je da je to tako, moguće je da je to dio općenitije teorije, ali to još nije vidljivo.
Mora se reći da kada govorimo o trijumfalnom završetku Standardnog modela, govorimo o tome da su svi, bez izuzetka, eksperimenti koji se izvode na akceleratorima, u podzemnoj fizici, u svemiru - svi su briljantni, apsolutno sa zavidnom tačnošću, sa tačnošću ponekad i do deset desetohiljaditih cifara, opisani su Standardnim modelom. U tom smislu, ovo je potpuno jedinstven model koji vam omogućava da opišete ogroman dio nežive prirode koristeći vrlo jednostavne univerzalne matematičke formule.
Standardni model elementarnih čestica smatra se najvećim dostignućem fizike u drugoj polovini 20. veka. Ali šta se krije iza toga?
Standardni model (SM) elementarnih čestica, zasnovan na mjernoj simetriji, veličanstvena je kreacija Murraya Gell-Mana, Sheldona Glashowa, Stevena Weinberga, Abdusa Salama i čitave galaksije briljantnih naučnika. SM savršeno opisuje interakcije između kvarkova i leptona na udaljenostima od 10-17 m (1% prečnika protona), koje se mogu proučavati pomoću modernih akceleratora. Međutim, počinje kliziti već na udaljenostima od 10-18 m i, čak i više, ne osigurava napredak prema cijenjenoj Planck skali od 10-35 m.
Vjeruje se da se ovdje sve fundamentalne interakcije spajaju u kvantno jedinstvo. SM će jednog dana biti zamijenjen potpunijom teorijom, koja, najvjerovatnije, također neće postati posljednja i konačna. Naučnici pokušavaju pronaći zamjenu za standardni model. Mnogi vjeruju da će se nova teorija izgraditi proširenjem liste simetrija koje čine temelj SM. Jedan od najperspektivnijih pristupa rješavanju ovog problema postavljen je ne samo izvan veze sa problemima SM, već i prije njegovog nastanka.
Čestice koje se pokoravaju Fermi-Dirac statistici (fermioni sa polucijelim spinom) i Bose-Einstein statistici (bozoni sa cjelobrojnim spinom). U energetskom bunaru svi bozoni mogu zauzeti isti najniži energetski nivo, formirajući Bose-Einstein kondenzat. Fermioni se, s druge strane, pokoravaju Paulijevom principu isključenja, pa stoga dvije čestice sa istim kvantnim brojevima (posebno jednosmjernim spinovima) ne mogu zauzeti isti energetski nivo.
Mešavina suprotnosti
Krajem 1960-ih, Sr. Istraživač teorijskog odsjeka FIAN-a, Yuri Golfand predložio je da njegov diplomirani student Evgeniy Likhtman generalizira matematički aparat koji se koristi za opisivanje simetrija četverodimenzionalnog prostora-vremena specijalna teorija relativnosti (prostor Minkovskog).
Lichtman je otkrio da se ove simetrije mogu kombinovati sa unutrašnjim simetrijama kvantnih polja sa spinovima koji nisu nula. U tom slučaju se formiraju porodice (multipleti) koje ujedinjuju čestice iste mase i poseduju ceo i poluceo spin (drugim rečima, bozoni i fermioni). Ovo je bilo i novo i neshvatljivo, budući da se oba povinuju različitim vrstama kvantne statistike. Bozoni se mogu akumulirati u istom stanju, a fermioni slijede Paulijev princip, koji striktno zabranjuje čak i parne unije ove vrste. Stoga je pojava multipleta bozon-fermion izgledala kao matematička egzotika, nepovezana sa stvarnom fizikom. Ovako su to doživjeli u FIAN-u. Kasnije, u svojim Memoarima, Andrej Saharov je ujedinjenje bozona i fermiona nazvao odličnom idejom, ali mu se to tada nije činilo zanimljivim.
Izvan standarda
Gdje leže granice SM-a? “Standardni model se slaže sa gotovo svim podacima dobijenim na visokoenergetskim akceleratorima. - objašnjava vodeći istraživač Instituta za nuklearna istraživanja Ruske akademije nauka Sergej Troicki. “Međutim, eksperimentalni rezultati koji ukazuju na prisustvo mase u dva tipa neutrina, a možda i u sva tri, ne uklapaju se baš u njegov okvir. Ova činjenica znači da SM treba proširenje, ali niko zapravo ne zna šta tačno. Astrofizički podaci također ukazuju na nepotpunost SM. Tamna materija, koja čini više od petine mase Univerzuma, sastoji se od teških čestica koje se ne uklapaju u SM. Usput, bilo bi tačnije nazvati ovu materiju ne tamnom, već prozirnom, jer ne samo da ne emituje svjetlost, već je i ne apsorbira. Osim toga, SM ne objašnjava gotovo potpuno odsustvo antimaterije u vidljivom svemiru.”
Ima i estetskih zamjerki. Kako primećuje Sergej Troicki, SM je dizajniran veoma ružno. Sadrži 19 numeričkih parametara, koji su određeni eksperimentom i, sa stanovišta zdravog razuma, poprimaju vrlo egzotične vrijednosti. Na primjer, prosječno Higsovo polje vakuuma, koje je odgovorno za mase elementarnih čestica, jednako je 240 GeV. Nije jasno zašto je ovaj parametar 1017 puta manji od parametra koji određuje gravitacionu interakciju. Želio bih imati potpuniju teoriju koja bi omogućila da se ovaj odnos utvrdi iz nekih općih principa.
SM ne objašnjava ogromnu razliku između masa najlakših kvarkova, od kojih se sastoje protoni i neutroni, i mase gornjeg kvarka, koja prelazi 170 GeV (u svim ostalim aspektima, ne razlikuje se od u- kvark, koji je skoro 10 hiljada puta lakši). Još nije jasno odakle dolaze naizgled identične čestice tako različitih masa.
Lichtman je odbranio disertaciju 1971. godine, a zatim je otišao na VINITI i skoro napustio teorijsku fiziku. Golfand je otpušten iz FIAN-a zbog smanjenja osoblja i dugo nije mogao naći posao. Međutim, zaposlenici Ukrajinskog instituta za fiziku i tehnologiju, Dmitrij Volkov i Vladimir Akulov, također su otkrili simetriju između bozona i fermiona i čak je koristili za opisivanje neutrina. Istina, ni Moskovljani ni stanovnici Harkova tada nisu stekli lovorike. Tek 1989. Golfand i Lichtman su dobili I. E. nagradu Akademije nauka SSSR-a za teorijsku fiziku. Tamma. Godine 2009. Vladimir Akulov (sada profesor fizike na Gradskom univerzitetu u Njujorku) i Dmitrij Volkov (posthumno) dobili su Nacionalnu nagradu Ukrajine za naučna istraživanja.
Elementarne čestice Standardnog modela dijele se na bozone i fermione prema vrsti statistike. Kompozitne čestice - hadroni - mogu se povinovati ili Bose-Einstein statistici (ovo uključuje mezone - kaone, pione) ili Fermi-Dirac statistici (barioni - protoni, neutroni).
Rođenje supersimetrije
Na Zapadu su se mješavine bozonskih i fermionskih stanja prvi put pojavile u novonastaloj teoriji koja je zamišljala elementarne čestice ne kao točkaste objekte, već kao vibracije jednodimenzionalnih kvantnih struna.
Godine 1971. napravljen je model u kojem je svaka vibracija bozonskog tipa bila kombinovana sa fermionskom vibracijom uparenom sa njom. Istina, ovaj model nije funkcionirao četvorodimenzionalni prostor Minkowskog, ali u dvodimenzionalnom prostor-vremenu teorija struna. Međutim, već 1973. Austrijanac Julius Wess i Italijan Bruno Zumino izvijestili su CERN (i objavili rad godinu dana kasnije) o četverodimenzionalnom supersimetričnom modelu s jednim bozonom i jednim fermionom. Nije tvrdio da opisuje elementarne čestice, ali je demonstrirao mogućnosti supersimetrije koristeći jasan i izuzetno fizički primjer. Ubrzo su ti isti naučnici dokazali da je simetrija koju su otkrili proširena verzija Golfand-Lichtmanove simetrije. Tako se ispostavilo da su u roku od tri godine tri para fizičara otkrila supersimetriju u prostoru Minkovskog nezavisno jedan od drugog.
Wess i Zumino-ovi rezultati potaknuli su razvoj teorija s mješavinama bozon-fermion. Budući da ove teorije povezuju mjerne simetrije sa prostornovremenskim simetrijama, nazvane su supergauge, a zatim supersimetrične. Oni predviđaju postojanje mnogih čestica, od kojih nijedna još nije otkrivena. Dakle, supersimetrija stvarnog svijeta je još uvijek hipotetička. Ali čak i da postoji, ne može biti stroga, inače bi elektroni naelektrisali bozonske rođake sa potpuno istom masom, što bi se lako moglo detektovati. Ostaje da se pretpostavi da su supersimetrični partneri poznatih čestica izuzetno masivni, a to je moguće samo ako je supersimetrija narušena.
Supersimetrična ideologija stupila je na snagu sredinom 1970-ih, kada je već postojao standardni model. Prirodno, fizičari su počeli da grade njegove supersimetrične ekstenzije, drugim rečima, da u njega uvode simetrije između bozona i fermiona. Prvu realističnu verziju supersimetričnog standardnog modela, nazvanu Minimalni supersimetrični standardni model (MSSM), predložili su Howard Georgi i Savas Dimopoulos 1981. godine. Zapravo, ovo je isti standardni model sa svim njegovim simetrijama, ali svakoj čestici se dodaje partner čiji se spin razlikuje od njegovog spina za ½ - bozon prema fermionu i fermion prema bozonu.
Stoga sve interakcije SM ostaju na mjestu, ali su obogaćene interakcijama novih čestica sa starima i međusobno. Kasnije su se pojavile složenije supersimetrične verzije SM. Svi oni uspoređuju već poznate čestice sa istim partnerima, ali na različite načine objašnjavaju kršenje supersimetrije.
Čestice i superčestice
Imena superpartnera fermiona konstruirana su pomoću prefiksa “s” - selektor, smuon, squark. Superpartneri bozona dobijaju završetak “ino”: foton - fotino, gluon - gluino, Z-bozon - zino, W-bozon - vino, Higsov bozon - higgsino.
Spin superpartnera bilo koje čestice (osim Higsovog bozona) je uvek ½ manji od njenog sopstvenog spina. Prema tome, partneri elektrona, kvarkova i drugih fermiona (i naravno, njihove antičestice) imaju nulti spin, a partneri fotonskog i vektorskog bozona sa jediničnim spinom imaju polovinu. To je zbog činjenice da što je veći spin čestice, to ima veći broj stanja. Stoga bi zamjena oduzimanja sa sabiranjem dovela do pojave suvišnih superpartnera.
Lijevo - Standardni model (SM) elementarnih čestica: fermioni (kvarkovi, leptoni) i bozoni (nosioci interakcija). Desno su njihovi superpartneri u Minimalnom supersimetričnom standardnom modelu, MSSM: bozoni (skvarkovi, sleptoni) i fermioni (superpartneri nosilaca sile). Pet Higsovih bozona (označeno jednim plavim simbolom na dijagramu) takođe imaju svoje superpartnere - Higsino petorku.
Uzmimo elektron kao primjer. Može biti u dva stanja - u jednom mu je okretanje usmjereno paralelno s momentom gibanja, u drugom - antiparalelno. Sa stanovišta Standardnog modela, to su različite čestice, jer ne učestvuju u slabim interakcijama na potpuno isti način. Čestica sa jediničnim spinom i masom različitom od nule može biti u tri različita stanja (kako kažu fizičari, ima tri stepena slobode) i stoga nije pogodna kao partner elektronu. Jedini izlaz bio bi dodijeliti jednog superpartnera sa nultim spinom svakom od stanja elektrona i smatrati te elektrone različitim česticama.
Superpartneri bozona Standardnog modela nastaju na nešto lukaviji način. Pošto je masa fotona nula, onda čak i sa jediničnim spinom on ima ne tri, već dva stepena slobode. Stoga se lako uparuje sa fotinom, superpartnerom sa polovičnim spinom, koji, kao i elektron, ima dva stepena slobode. Gluino nastaju po istoj shemi. Situacija sa Higgsovima je komplikovanija. U MSSM postoje dva dubleta Higgsovih bozona, koji odgovaraju četiri superpartnera - dva neutralna i dva različito nabijena Higgsina. Neutralne mešavine Različiti putevi sa fotinom i zinom i formiraju kvartet fizički vidljivih čestica sa zajedničkim imenom neutralino. Slične mješavine sa čudnim nazivom chargino (na engleskom - chargino) formiraju superpartnere pozitivnih i negativnih W bozona i parova nabijenih Higgsovih.
Situacija sa neutrinskim superpartnerima također ima svoje specifičnosti. Da ova čestica nema masu, njen spin bi uvek bio u suprotnom smeru od njenog impulsa. Stoga bi se od neutrina bez mase očekivalo da ima jednog skalarnog partnera. Međutim, pravi neutrini još uvijek nisu bez mase. Moguće je da postoje i neutrina sa paralelnim momentima i spinovima, ali oni su veoma teški i još nisu otkriveni. Ako je to zaista slučaj, onda svaka vrsta neutrina ima svog superpartnera.
Prema profesoru fizike Univerziteta u Michigenu Gordonu Kaneu, najuniverzalniji mehanizam za kršenje supersimetrije povezan je s gravitacijom.
Međutim, veličina njegovog doprinosa masama superčestica još nije razjašnjena, a procjene teoretičara su kontradiktorne. Štaviše, teško da je on jedini. Tako, Next-to-Minimal Supersimetrični standardni model, NMSSM, uvodi još dva Higgsova bozona, koji doprinose masi superčestica (i takođe povećavaju broj neutralina sa četiri na pet). Ova situacija, primjećuje Kane, dramatično povećava broj parametara uključenih u supersimetrične teorije.
Čak i minimalno proširenje Standardnog modela zahtijeva oko stotinu dodatnih parametara. To ne treba da čudi, jer sve ove teorije uvode mnoge nove čestice. Kako potpuniji i konzistentniji modeli postanu dostupni, broj parametara bi se trebao smanjiti. Čim detektori Velikog hadronskog sudarača uhvate superčestice, novi modeli neće dugo čekati.
Hijerarhija čestica
Supersimetrične teorije omogućavaju da se eliminišu brojne slabosti Standardnog modela. Profesor Kane ističe misteriju Higsovog bozona, koja se naziva problemom hijerarhije..
Ova čestica dobija masu interakcijom sa leptonima i kvarkovima (baš kao što i oni sami dobijaju masu interakcijom sa Higsovim poljem). U Standardnom modelu, doprinosi ovih čestica su predstavljeni divergentnim nizovima sa beskonačnim sumama. Istina, doprinosi bozona i fermiona imaju različite predznake i, u principu, mogu se gotovo potpuno poništiti. Međutim, takvo izumiranje bi trebalo biti gotovo savršeno, jer se sada zna da je Higsova masa samo 125 GeV. Nije nemoguće, ali je krajnje malo vjerovatno.
Za supersimetrične teorije nema ništa loše u tome. U egzaktnoj supersimetriji, doprinosi običnih čestica i njihovih superpartnera trebali bi se međusobno potpuno poništiti. Pošto je supersimetrija narušena, kompenzacija je nepotpuna, a Higsov bozon dobija konačnu i, što je najvažnije, izračunljivu masu. Ako mase superpartnera nisu prevelike, treba ih mjeriti u 1 do 200 GeV, što je tačno. Kako Kane ističe, fizičari su počeli ozbiljno shvaćati supersimetriju kada se pokazalo da rješava problem hijerarhije.
Mogućnosti supersimetrije se tu ne završavaju. Iz Standardnog modela slijedi da se u području vrlo visokih energija jaka, slaba i elektromagnetna interakcija, iako imaju približno istu snagu, nikada ne kombinuju. A u supersimetričnim modelima na energijama reda 1016 GeV dolazi do takvog ujedinjenja i izgleda mnogo prirodnije. Ovi modeli također nude rješenje za problem tamne materije. Superčestice tokom raspada daju i superčestice i obične čestice - prirodno, manje mase. Međutim, supersimetrija, za razliku od SM, omogućava brzi raspad protona, koji se, na našu sreću, zapravo ne događa.
Proton, a sa njim i cjelina svijet može se spasiti pretpostavkom da je u procesima koji uključuju superčestice očuvan kvantni broj R-paritet, koji je za obične čestice jednak jedan, a za superpartnere minus jedan. U ovom slučaju, najlakša superčestica bi trebala biti potpuno stabilna (i električni neutralna). Po definiciji, ne može se raspasti na superčestice, a očuvanje R-pariteta mu zabranjuje da se raspadne na čestice. Crna materija mogu se sastojati upravo od takvih čestica koje su nastale neposredno nakon toga Veliki prasak i izbjegla međusobno uništenje.
Čekamo eksperimente
“Neposredno prije otkrića Higgsovog bozona, zasnovanog na M-teoriji (najnaprednija verzija teorije struna), njegova masa je bila predviđena sa greškom od samo dva posto! kaže profesor Kejn. „Izračunate su i mase elektrona, smuona i skvarkova, za koje se pokazalo da su prevelike za moderne akceleratore - reda veličine nekoliko desetina TeV. Superpartneri fotona, gluona i drugih mjernih bozona su mnogo lakši i stoga postoji šansa da ih se otkrije na LHC-u.”
Naravno, ispravnost ovih proračuna ni na koji način nije zagarantovana: M-teorija je delikatna stvar. Pa ipak, da li je moguće otkriti tragove superčestica na akceleratorima? “Masivne superčestice trebale bi se raspasti odmah nakon rođenja. Ti raspadi nastaju na pozadini raspada običnih čestica i vrlo ih je teško nedvosmisleno identifikovati, objašnjava Dmitrij Kazakov, glavni istraživač Laboratorije teorijske fizike JINR u Dubni. “Bilo bi idealno kada bi se superčestice manifestirale na jedinstven način koji se ne bi mogao pomiješati ni sa čim drugim, ali teorija to ne predviđa.
Moramo analizirati mnogo različitih procesa i tražiti među njima one koji nisu u potpunosti objašnjeni Standardnim modelom. Ove pretrage još nisu bile uspješne, ali već imamo ograničenja za masu super partnera. Oni koji učestvuju u jakim interakcijama trebali bi povući najmanje 1 TeV, dok mase drugih superčestica mogu varirati između desetina i stotina GeV.
U novembru 2012. godine na simpozijumu u Kjotu objavljeni su rezultati eksperimenata na LHC-u, tokom kojih je po prvi put bilo moguće pouzdano detektovati veoma rijedak raspad Bs mezona na mion i antimion. Njegova vjerovatnoća je otprilike tri milijarde, što se dobro slaže sa predviđanjima SM. Budući da bi očekivana vjerovatnoća ovog raspada izračunata iz MSSM-a mogla biti nekoliko puta veća, neki ljudi su odlučili da je supersimetrija gotova.
Međutim, ova vjerovatnoća ovisi o nekoliko nepoznatih parametara, koji mogu dati veliki ili mali doprinos konačnom rezultatu; ovdje je još uvijek mnogo neizvjesnosti. Dakle, ništa se strašno nije dogodilo, a glasine o smrti MSSM-a su jako pretjerane. Ali to ne znači da je ona neranjiva. LHC još ne radi punom snagom, dostići će je tek za dvije godine, kada će energija protona biti povećana na 14 TeV. A ako tada nema manifestacija superčestica, onda će MSSM najvjerovatnije umrijeti prirodnom smrću i doći će vrijeme za nove supersimetrične modele.
Grassmannovi brojevi i supergravitacija
Čak i prije stvaranja MSSM-a, supersimetrija je bila kombinovana sa gravitacijom. Ponovljena primjena transformacija koje povezuju bozone i fermione pomiče česticu u prostor-vremenu. To omogućava povezivanje supersimetrija i deformacija prostorno-vremenske metrike, što prema opšta teorija relativnost je uzrok gravitacije. Kada su fizičari to shvatili, počeli su da grade supersimetrične generalizacije opšte teorije relativnosti, koje se nazivaju supergravitacija. Ovo područje teorijske fizike se aktivno razvija i sada.
Istovremeno se pokazalo da supersimetrične teorije zahtijevaju egzotične brojeve, koje je u 19. vijeku izumio njemački matematičar Hermann Günther Grassmann. Mogu se sabirati i oduzimati kao i obično, ali proizvod takvih brojeva mijenja predznak kada se faktori preurede (dakle, kvadrat i, općenito, bilo koja cjelobrojna snaga Grassmanovog broja jednaka je nuli). Naravno, funkcije takvih brojeva ne mogu se diferencirati i integrirati prema standardnim pravilima matematička analiza, potrebne su sasvim druge tehnike. I, na sreću supersimetričnih teorija, one su već pronađene. Izmislio ih je 1960-ih izvanredni sovjetski matematičar sa Moskovskog državnog univerziteta Feliks Berezin, koji je stvorio novi pravac - supermatematiku.
Međutim, postoji još jedna strategija koja nije vezana za LHC. Dok je u CERN-u radio elektron-pozitronski sudarač LEP, tražili su najlakše nabijene superčestice, čiji bi raspadi trebali dovesti do najlakših superpartnera. Ove čestice prekursora je lakše otkriti jer su nabijene, a najlakši superpartner je neutralan. Eksperimenti na LEP-u su pokazali da masa takvih čestica ne prelazi 104 GeV. Ovo nije mnogo, ali ih je teško otkriti na LHC-u zbog visoke pozadine. Stoga je pokret sada počeo da gradi super-moćni sudarač elektron-pozitrona za njihovu potragu. Ali ovo je veoma skup automobil i sigurno neće biti proizveden u skorije vreme.”
Zatvaranja i otvaranja
Međutim, prema Mihailu Šifmanu, profesoru teorijske fizike na Univerzitetu u Minesoti, izmerena masa Higsovog bozona je prevelika za MSSM, a ovaj model je najverovatnije već zatvoren:
“Istina, pokušavaju to spasiti uz pomoć raznih dodataka, ali su toliko neelegantni da imaju male šanse za uspjeh. Moguće je da će i druge ekstenzije raditi, ali kada i kako još uvijek nije poznato. Ali ovo pitanje ide dalje od čiste nauke. Trenutno finansiranje fizike visokih energija počiva na nadi da će se otkriti nešto zaista novo na LHC-u. Ako se to ne dogodi, sredstva će biti smanjena, a neće biti dovoljno novca za izgradnju akceleratora nove generacije, bez kojih se ova nauka neće moći stvarno razvijati.” Dakle, supersimetrične teorije i dalje obećavaju, ali jedva čekaju presudu eksperimentatora.
