При този сблъсък, регистриран от детектора ATLAS на 18 май 2012 г., бозонът на Хигс се разпада.
(Изображение: © ATLAS)
Пол М. Сътър е астрофизик от SUNY Stony Brook и Института Flatiron, домакин Попитайте Космонавт и Космическо радиои автор на „Вашето място във Вселената.„Sutter допринесе за тази статия Гласовете на експертите на Space.com: Op-Ed & Insights.
Симетриите в природата захранват нашето фундаментално разбиране за Космоса, от универсалността на гравитацията до обединяването на природни сили при високи енергии.
През 70-те физиците разкриват потенциална симетрия, обединяваща всички видове частици в нашата Вселена, от електроните до фотоните и всичко между тях. Тази връзка, известна като суперсиметрията, разчита на странното квантово свойство на спина и потенциално държи ключа за отключване на ново разбиране на физиката.
Симетриите са сила
От векове симетриите позволяват на физиците да намерят основни връзки и основни връзки в цялата Вселена. Кога Исак Нютон първо щракна върху идеята, че гравитацията, която дърпа ябълка от дърво, е същата сила, която държи Луната в орбита около слънцето, той откри симетрия: законите на гравитацията са наистина универсални. Това прозрение му позволи да направи огромен скок в разбирането на това как работи природата.
През 1800 г. физиците по света озадачават странните свойства на електричеството, магнетизма и радиацията. Какво е причинило електрически ток да тече надолу по жица? Как можеше да се върти магнит? Светлина ли беше вълна или частица? Десетилетия на трудно размишление завърши с чист математически пробив от Джеймс Клерк Максуел, който обедини всички тези отделни клонове на проучване под един набор от прости уравнения: електромагнетизма.
Алберт Айнщайн също направи своя знак, като направи прозренията на Нютон с една крачка напред. Приемайки като максима, че всички физически закони трябва да са еднакви, независимо от вашето положение или скорост, той разкри специална относителност; понятията за време и пространство трябваше да бъдат пренаписани, за да се запази тази симетрия на природата. И добавянето на гравитация към тази комбинация го доведе до обща относителност, нашето съвременно разбиране за тази сила.
Дори нашите закони за опазване - запазването на енергията, запазването на инерцията и прочие - зависят от симетрията. Фактът, че можете да провеждате експеримент ден след ден и да получите същия резултат, разкрива симетрия във времето, която чрез математическия гений на Еми Нотер води до закона за разговор на енергията. И ако вземете експеримента си и го преместите из стаята и все пак получите същия резултат, просто разкрихте симетрия през пространството и съответното запазване на инерцията.
Въртящо се огледало
В макроскопичния свят това обобщава всички симетрии, които сме срещали в природата. Но субатомният свят е различна история. Основните частици на нашата вселена имат интересно свойство, известно като „въртене“. За първи път беше открито при експерименти, които изстрелват атоми през разнообразно магнитно поле, причинявайки техните пътища да се отклоняват по точно същия начин, както би въртяла, електрически заредена метална топка.
Но субатомните частици не се въртят, електрически заредени метални топки; те просто действат като тях в определени експерименти. И за разлика от техните аналози в обикновен свят, субатомните частици не могат да имат въртене, което желаят. Вместо това всеки вид частици получава свое уникално количество въртене.
По различни неясни математически причини, някои частици като електрона получават въртене на ½, докато други частици като фотона получават въртене на 1. Ако се чудите как фотон е възможно да се държи като въртяща заредена метална топка, тогава не го изпотявайте прекалено много; вие сте свободни да мислите само за „въртене“ като поредното свойство на субатомните частици, които трябва да следим, като тяхната маса и заряд. И някои частици имат повече от това свойство, а някои - по-малко.
Като цяло има две големи "семейства" от частици: тези с завъртане на полуцело (1/2, 3/2, 5/2 и т.н.) и тези с цяло цяло число (0, 1, 2 и т.н.) .) въртя. Полусесиите се наричат „фермиони“ и са съставени от градивните елементи на нашия свят: електрони, кварки, неутрино и т.н. Целите части се наричат „бозони“ и са носители на силите на природата: фотони, глуони и останалите.
На пръв поглед тези две фамилии частици не биха могли да бъдат различни.
Симфония на спартички
През 70-те г. теоретици на струните започнаха да гледат критично на това свойство на въртене и започнаха да се чудят дали там може да има симетрия на природата. Идеята бързо се разшири извън общността на струните и се превърна в активна област на изследване във физиката на частиците. Ако е вярно, тази „свръхсиметрия“ би обединила тези две на пръв поглед различни частици от частици. Но как би изглеждала тази суперсиметрия?
Основната същност е, че при свръхсиметрия всеки фермион би имал "суперчастична частица" (или "частица" за кратко - а имената само ще се влошат) в света на бозоните и обратно, с точно същата маса и зареждане, но различно въртене.
Но ако тръгнем да търсим спартикулите, не намираме никакви. Например, частицата на електрона („селектронът“) трябва да има същата маса и заряд като електрона, но спин от 1.
Тази частица не съществува.
Така че някак си тази симетрия трябва да бъде нарушена в нашата Вселена, като задвижва масите на частиците извън обхвата на нашите колички за частици. Има много различни начини за постигане на свръхсиметрия, всички прогнозират различни маси за селектоните, стоп кваковете, скинутрините и всички останали.
Към днешна дата не са открити доказателства за свръхсиметрия и експерименти в Голям адронов сблъсък са изключили най-простите суперсиметрични модели. Макар че не е съвсем последният пирон в ковчега, теоретиците се почесват по главата си, чудейки се дали в природата не се среща суперсиметрия и какво трябва да мислим за следващия, ако не можем да намерим нищо.
- Вселената: Големият взрив досега в 10 лесни стъпки
- Теоретиците на „Супергравитация“ печелят награда за пробив на физика от 3 милиона долара
- Мистериозните частици, извиващи се от Антарктида, се противопоставят на физиката
Научете повече, като слушате епизода "Струва ли си струнната теория? (Част 4: Това, от което се нуждаем, е супергерой)" в подкаста Ask A Spaceman, достъпен на качии в мрежата на http://www.askaspaceman.com, Благодарение на Джон С., Захари Х., @edit_room, Матю Й., Кристофър Л., Кризна У., Саян П., Неха С., Закари Х., Джойс С., Маурисио М., @shrenicshah, Панос Т ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. за въпросите, довели до това парче! Задайте собствения си въпрос в Twitter, като използвате #AskASpaceman или като следвате Пол @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter, Следвайте ни в Twitter @Spacedotcom или Facebook.
