التناظر الفائق ومشكلة تدرج القياس

ما هو التناظر الفائق؟

التناظر الفائق هو تناظر افتراضي بين المكان والزمان ، وهو فريد من نوعه. لعقود ، كانت هذه الفكرة شائعة جدًا بين الفيزيائيين النظريين لعدد من الأسباب - لقد كانت ناجحة عندما كنت طالبًا ، حتى قبل أن تصبح الفيزياء موضوعًا رائعًا ، وحتى قبل ذلك.

ستكون النتيجة التلقائية لوجود التماثل في الطبيعة أن يكون لكل نوع من الجسيمات شريك أو أكثر - نوع آخر من الجسيمات له نفس الخصائص ، ولكنه يختلف بطريقة معينة ومهمة. إذا كان الجسيم فرميون ، فإن شريكه الفائق هو بوزون. إذا كان الجسيم بوزونًا ، فإن شريكه الفائق هو فرميون ( ما هي الفرميونات والبوزونات ).

في عالمنا ، العديد من الفرميونات هي جزيئات المادة - والعديد من البوزونات كلها حاملة للتفاعلات. لكن ليس لأي من هذه الجسيمات الخصائص المناسبة لكونه شريكًا فائقًا. لذلك ، إذا كان التناظر الفائق تناظرًا طبيعيًا ، فإن كل نوع من أنواع الجسيمات الأولية المعروفة لنا يجب أن يكون لها شركاء ، حتى يتم اكتشافنا. وبما أننا نعلم أكثر من 20 جسيمًا ، فلدينا الكثير من العمل الذي يتعين القيام به!

إذن ما هو هذا التناظر؟ هذا هو التناظر الذي يربط المكان والزمان باتجاهات المكان والزمان للشركاء المتميزين - وبعبارة أخرى ، فإن الزمكان له أبعاد إضافية بخلاف تلك التي نعرفها. في البعد الصوتي - لقد اعتدنا عليهم - يمكنك التحرك بقدر ما تريد ، على سبيل المثال ، التحرك يسارًا خطوة بخطوة. في البُعد الفيرميوني ، يتم ترتيب كل شيء بحيث لا يمكن اتخاذ سوى خطوة واحدة. إذا اتخذت خطوة أخرى ، فلن تجد نفسك في أي مكان. يمكنك العودة فقط. يبدو غريباً ، وهو كذلك. في النهاية ، من الضروري تحديد مثل هذه القياسات من خلال الرياضيات ، وعدم استخدام الكلمات أو القياس.

تقوم نظرية آينشتاين النسبية بعمل ممتاز في وصف العديد من جوانب عالمنا والتنبؤ بها. تتكون نظريته من مجموعة من المعادلات التي تتبع مجموعة معينة من التماثلات. على سبيل المثال ، التماثل الترجمي أو التماثل المرتبط بنقل تجربة من مكان في الزمكان إلى آخر: التجربة التي أجريت اليوم في لندن ستؤدي إلى نفس النتيجة مثل التجربة نفسها التي أجريت بعد ذلك ببضعة أشهر في طوكيو. في ستينيات القرن العشرين ، تم إثبات رياضيًا أن التناظر الفائق هو التناظر الوحيد الذي يمكن إضافته إلى تناسق نظرية أينشتاين حتى لا تبدأ المعادلات الناتجة في الاختلاف عن خصائص العالم الحقيقي. بهذا المعنى ، يقف التناظر الفائق متمايزًا.

أين هذه جزيئات الشريك الخارق؟

إذا كان التناظر الفائق هو التناظر الدقيق للطبيعة ، فسنجد بالفعل العديد من الشركاء الفائقين.

قبل المضي قدمًا ، دعونا نتذكر الجسيمات الأولية المعروفة لنا. في المقالة حسب المرجع الشكل. 1 و 2 مفيدان بشكل خاص من أجل التقاط الجسيمات في لمحة ومقارنتها مع الأشكال أدناه.


التين. 1

في الشكل. 1 ، عرضت ما هي الجسيمات الموجودة في العالم إذا تم استكمال النموذج القياسي بتناظر فائق دقيق.

• بالنسبة لكل جزء من المادة ، على سبيل المثال ، إلكترون أو كوارك غريب ، يوجد جسيمين جديدين - كلاهما بوزونات. أسمائهم قبيحة جدًا ، إلكترون وصرير غريب ، حيث تعني "c" التناظر الفائق. قد تسأل عن سبب وجود اثنين منهم (ولماذا يوجد واحد فقط لكل نيوترينو). الرجوع إلى الشكل. 3 أدناه ، ويجب أن يتضح لك كل شيء.
• بالنسبة للبوزونات الحاملة ، يوجد شركاء فرميون. الفوتون يحتوي على فوتينو ، يحتوي الفلوون على جلوينو ، إلخ. مع بوزونات W الضخمة ، تصبح الأمور أكثر تعقيدًا قليلاً. لديهم نبيذ شريك [wino] ، بالإضافة إلى شريك Higgs المسمى H ⁺ (تنبيه! لا ينبغي الخلط بين هذا الجسيم والجسيم H ⁺ الذي يظهر في مقال يخبر ما سيحدث للنموذج القياسي إذا كان مجال Higgs لسوء الحظ ، توجد مشكلة مستمرة في فيزياء الجسيمات ذات أسماء الجسيمات - لا توجد أحرف كافية). كل هذه الجسيمات لها نفس الكتلة بالضبط في هذا العالم الخيالي الفائق التناظر.
• في هذا النموذج ، يوجد جزيئان Higgs ، h ⁰ و H ⁰ ، ولكل منهما شريك Higgsino. واحد بلا كتلة ، والثاني ضخم. لماذا اثنان؟ اتضح أنه في العالم فائق التناظر ، يلزم وجود جسيمين حتى تظهر الكتلة في الكواركات العلوية والسفلية بالطريقة المعتادة. الحجة الثانية هي أن اثنين من هيغسينو ضروريان للاتساق الرياضي.

ولكن من الواضح أن هذا العالم الفائق التماثل ليس عالمنا. كما هو موضح في الشكل ، في مثل هذا العالم ، الجسيمات وشركائها الخارقين:

• تتفاعل بالمثل مع الجسيمات الأخرى وشركائها الخارقين.
• لها نفس الوزن بالضبط.

كنا سنعلم قبل أكثر من مائة عام بوجود جسيمات لها نفس الشحنة الكهربائية وكتلة الإلكترونات نفسها ، لكنها لن تكون إلكترونات. على سبيل المثال ، سيكون لدينا ذرات مع إلكترونات ، وذرات مع إلكترونات ، وذرات بمزيجها. سيكون عدد أنواع الذرات أكبر بكثير من الذرات المرصودة ، وبما أن البوزونات في الذرات ستتصرف بشكل مختلف تمامًا عن الفرميونات ، فإن كيمياء الذرات الجديدة ستكون مختلفة تمامًا. البيانات والتجربة اليومية تستبعد هذا الاحتمال. لا توجد إلكترونات ذات كتلة من الإلكترونات ، وهذه هي النقطة. لذا فإن التناظر الفائق الدقيق ليس نظرية صحيحة للطبيعة ، وقد عرفنا ذلك حتى قبل أن نتصورها.

نهاية التناظر الفائق؟ ليس بهذه السرعة.

على الرغم من الكارثة الواضحة ، فإن نظرية التناظر الفائق الأصلية تعطينا طريقة بسيطة ومعقولة للخروج من الموقف. تنتشر فكرة أن التماثلات يمكن إخفاؤها من نظرتنا على نطاق واسع في الفيزياء (يقول الفيزيائيون كسرها تلقائيًا ، لكن هذا ليس مثالًا بديهيًا جيدًا جدًا - هناك تناظر ، يصعب التعرف عليه ببساطة).


التين. 2

أحد الأمثلة هو التناظر الدوراني على الأرض. لا تعتمد قوانين الطبيعة على كيفية توجيه التجربة (انظر الشكل 2). هذا صحيح ، ولكن من الصعب رؤيته على الأرض ، حيث يهم ما إذا كانت تجربتك انقلبت على الجانب الأيمن لأعلى ، أو كانت مقلوبة ، أو مائلة. ولكن في الفضاء البعيد ، بعيدًا عن الكواكب والأقمار والنجوم ، فإن قوانين الطبيعة لها تناظر دوراني. ستعطي تجربتك نفس الإجابة بغض النظر عن اتجاهها. بالمناسبة ، قياسات الضوء المنبعثة من الذرات البعيدة جدا تؤكد هذه النظرية. الأرض تربكنا. يجعلنا نعتقد أن الاتجاه الهبوطي يختلف عن الاتجاه التصاعدي أو الأيسر. لكن هذا الاختلاف الواضح ليس ملكية لقوانين الطبيعة. ينشأ الفرق من قرب الأرض من إخفاء التناظر الدوراني من نظرتنا.

السؤال هو ، ما إذا كان بعض جوانب عالمنا (ليست خشنة مثل الأرض ، ولكن بعض غير محسوس ، مثل حقل هيجز) يخفي عن أعيننا التناظر الفائق في جميع أنحاء الكون؟ ثم ماذا؟ اتضح أنه من السهل جدًا الحصول على نفس عالمنا ، حيث يوجد الشركاء المميزون للأجزاء الشهيرة ، أصبحوا أكثر صعوبة - ثقيل جدًا بالنسبة لنا في التجارب.


التين. 3

يظهر عالم واقعي محتمل من هذا النوع - ربما يشبه عالمنا - في الشكل. 3. ترى أن انتهاك التناظر الفائق (حقيقة أنه يختبئ وليس من السهل اكتشافه) يزيد من حجم الكتلة لجميع الشركاء الفائقين بحيث يكون مقياس الكتلة بالكامل أعلى من كتلة الكوارك العلوي. وهذا ليس اصطناعيًا أو غبيًا كما يبدو - فالرياضيات تقبل هذا التأثير بسهولة. هناك العديد من الأمثلة الدقيقة لكيفية حدوث ذلك - ولكن هناك الكثير منها لجعلنا نفكر في أيهما على الأرجح.

في هذا العالم المحتمل ، الذي أظهرته لك ، قدمت العديد من الافتراضات التعسفية ، ولكن غالبًا ما يتم العثور عليها في أمثلة تفصيلية لكسر التناظر الفائق الذي درسه علماء الفيزياء النظرية ، بما في ذلك أنا:

• كان كل من Squarks و gluino أكثر وزنًا.
• حصل سليبتون وسنيترينوس على كتلة كبيرة ، ولكن ربما أقل بقليل من الصرير والجلوينو.
• يخلط النبيذ والزينو والفوتينو والهيغينو في مجموعة من الجسيمات المشحونة كهربائياً والجسيمات المشحونة والكهربائية المحايدة ، وبعضها ربما أكبر قليلاً من W و Z.
• تحتوي خمسة جزيئات Higgs على مجموعة واسعة من الكتل ، على الرغم من أن واحدة منها على الأقل خفيفة للغاية.

وهذا ليس المخطط الوحيد الذي يمكن أن يحدث عند كسر التناظر الفائق! هناك العديد من الاحتمالات الأخرى التي سأطلق عليها خيارات التناظر الفائق. لكن الخيار الذي قدمته هو الأكثر شيوعًا بين المنظرين والتجريبين ، خاصة في أوروبا (في الولايات المتحدة الأمريكية هو أقل شعبية ، لا أعرف عن أماكن أخرى). هناك أسباب وجيهة لهذه الشعبية. اتضح أن هناك عدة طرق مستقلة للحصول على دائرة مماثلة لهذه الدائرة. ومع ذلك ، فإن الشعبية تولد التحيز دائمًا ، ونحن بحاجة إلى النظر في جميع الاحتمالات دون افتراض افتراضات حول هذه الحجج.

ولكن إذا كان الشركاء الفائقون ضخمون للغاية ، ألا يمكن أن يحدث أننا لا نستطيع إنتاج أي منهم في العقود القادمة أو حتى القرون؟ هل نحن لا نحسب عدد الملائكة التي يمكن أن تتناسب مع طرف الإبرة ؟ مما سبق ، فإنه يتبع بالفعل وجود مثل هذا الخطر. ومع ذلك ، هناك حجة أكثر دهاء لصالح وجود التناظر الفائق ، وبفضل ذلك يأمل العديد من الفيزيائيين أن يكون جميع هؤلاء الشركاء الفائقين في متناول مصادم الهادرون الكبير. ويأتي هذا من حقيقة أن التناظر الفائق من شأنه أن يحل مشكلة التسلسل الهرمي - أحد أعظم الألغاز في عالمنا.

مشكلة التسلسل الهرمي

خاصية مهمة من الطبيعة التي تحير العلماء ، وأنا من بينهم ، هي خاصية التسلسل الهرمي - الاختلاف الكبير بين خصائص التفاعل النووي الضعيف والجاذبية. يمكن وصف هذا التسلسل الهرمي بعدة طرق مختلفة ، كل منها يعتمد على إحدى خصائصه. على سبيل المثال:

تحدد كتلة أصغر ثقب أسود ممكن ما يعرف باسم كتلة بلانك . هناك طريقة أكثر دقة لتحديد هذه الكمية عن طريق الجمع بين ثابت الجاذبية النيوتوني G ، وثابت بلانك [المخفض] الثابت and ، وسرعة الضوء c: كتلة بلانك هي

$$

$$M_p = \ sqrt {\ frac {\ hbar c} {G}}$$

إن كتل جسيمات W و Z التي تخضع لتفاعل نووي ضعيف أقل بحوالي 10.000.000.000.000.000 مرة من كتلة بلانك. في هذا الصدد ، هناك تسلسل هرمي ضخم من المقاييس الجماعية بين ضعف التفاعل النووي والجاذبية.

في مواجهة مثل هذا العدد الضخم مثل 10،000،000،000،000،000 ، عشرة كوادريليون ، يسأل الفيزيائيون السؤال بشكل طبيعي: من أين أتوا؟ وقد يكون لديه تفسير مثير للاهتمام.

ولكن في محاولة للعثور على هذا التفسير في السبعينيات ، رأى الفيزيائيون وجود مشكلة خطيرة ، حتى مفارقة ، مخبأة وراء هذا الرقم. ترتبط هذه المشكلة ، التي تُعرف الآن باسم مشكلة التسلسل الهرمي ، بحجم حقل هيغيرز غير الصفري ، والذي بدوره يحدد كتلة الجسيمات W و Z.

يبلغ حجم حقل هيجز غير الصفري حوالي 250 جيجا فولت ، وهذا يعطي كتلة جسيم من W و Z تساوي حوالي 100 GeV. ولكن اتضح أنه من ميكانيكا الكم ، يستتبع ذلك أن مثل هذا الحجم من حقل هيجز غير مستقر ، إنه شيء مثل (تشبيه غير كامل!) موازنة مزهرية على حافة الطاولة. من الفيزياء التي نعرفها ، من الارتعاش الكمي ، يبدو أنه بالنسبة لحقل هيجز يجب أن يكون هناك معنيين طبيعيين - عن طريق القياس مع مكانين طبيعيين للمزهرية ، إما يقفان بثبات على طاولة أو مستلقين على الأرض. وتبين أن حقل هيجز يبدو إما صفرًا ، أو يجب أن يكون قابلاً للمقارنة في الحجم مع طاقة بلانك ، أكثر من 10.000.000.000.000.000 أكثر من القيمة المرصودة. لماذا يتم الحصول على قيمته غير صفرية وصغيرة جدًا ، لذا ، للوهلة الأولى ، غير طبيعية؟

هذه مشكلة التسلسل الهرمي.

خصص العديد من الفيزيائيين النظريين جزءًا كبيرًا من حياتهم المهنية لمحاولات حل هذه المشكلة. جادل البعض بأننا بحاجة إلى جزيئات جديدة وتفاعلات جديدة (تسمى أفكارهم التناظر الفائق ، واللون التقني ، والهيغز الصغير ، وما إلى ذلك) .قال البعض أن فهمنا للجاذبية خاطئ وأن الأبعاد الجديدة غير المعروفة موجودة ("أبعاد إضافية ») المساحات التي سنجدها في المستقبل القريب في التجارب على المصادم LHC. يقول آخرون أنه لا يوجد ما يفسر ، لأن تأثير الاختيار ساري المفعول: الكون أكبر بكثير وأكثر تنوعًا من الجزء الذي نلاحظه ، ونحن نعيش في جزء غير طبيعي من الكون لأن الجزء المتبقي غير مناسب للحياة - تمامًا مثل ، على الرغم من حقيقة أن الكواكب الصخرية نادرة ، فإننا نعيش على أحدها لأنه هنا فقط يمكننا التطور والبقاء. ولعل هذه المشكلة لها حلول أخرى لم تخترع بعد.

العديد من هذه الحلول - بالتأكيد جميع الحلول مع الجسيمات والتفاعلات الجديدة ، ومع الأبعاد الجديدة - تتوقع أن الظواهر الجديدة يمكن رؤيتها على LHC. وبالتدريج ، ولكن بشكل لا مفر منه ، يلغي المصادم LHC هذه الاحتمالات واحدة تلو الأخرى. حتى الآن ، لم نر أي ظواهر غير متوقعة. لكننا فقط في بداية الرحلة.

بالمناسبة ، يمكن للمرء أن يقرأ في كثير من الأحيان كيف ترتبط مشكلة التسلسل الهرمي بكتلة جسيمات هيجز. الأمر ليس كذلك. تكمن المشكلة في أن قيمة حقل هيجز غير الصفر كبيرة جدًا. بالمعنى الدقيق للكلمة ، لا تصحح ميكانيكا الكم كتلة هيجز ، ولكن مربع كتلة هيجز ، يغير الطاقة الكامنة لحقل هيجز ، وبالتالي حجم المجال ، ويجعله صفرًا أو كبيرًا جدًا. وهذه كارثة ، لأن الجماهير W و Z معروفة. كتلة هيجز غير معروفة ، لذلك يمكن أن تكون كبيرة جدًا - إذا كانت الكتل W و Z ستكون كبيرة أيضًا. لذا تكمن المشكلة في كتلتي W و Z - وفي حجم مجال هيجز غير الصفر ، المشكلة من وجهة نظر منطقية وعلمية.