كيفية البحث عن التناظر الفائق في مصادم هادرون الكبير

إذا كنت في الشارع تسأل شخصًا عشوائيًا: "كيف تبحث عن التناظر الفائق؟" ثم من المرجح أن يغير الجانبين بسرعة. ولكن إذا سألت هذا السؤال في الشارع في CERN ، المختبر الذي يدير مصادم هادرون الكبير ، فستحصل على الأرجح على شيء مثل: "ابحث عن عدد غير متوقع من التصادمات بالطائرات ونقص الطاقة."

وقد تجعلك هذه الإجابة بالفعل تعبر بسرعة الجانب الآخر من الشارع. لكنه لا يمكن تفسيره ، فهو يحتاج فقط إلى الترجمة. يعني ما يلي:

من الضروري البحث عن عدد كبير بشكل غير متوقع من تصادمات البروتونات مع البروتونات ، حيث توجد علامات مثل (أ) الكواركات أو العلامات العتيقة أو الجلوونات (الجسيمات داخل البروتونات وغيرها من الهادرونات) المنبثقة عن التصادم بطاقة عالية جدًا ، كما لو كان من مدفع (وخلق رش الجسيمات ، تسمى " الطائرات ") ، و (ب) الجسيمات التي لا يمكن تحديدها ، والتي تحلق بعيدًا بشكل غير مرئي ، وتأخذ معها كمية كبيرة من الزخم والطاقة.

الغرض من هذه المقالة هو أن يشرح لك لماذا سيعطي الناس إجابة مماثلة ، وما هي نقاط قوته ونقاط ضعفه.

معلومات أولية

تحتاج إلى قراءة مقال حول ما هو التناظر الفائق وما تعنيه توقعاته. باختصار: لكل نوع من الجسيمات المعروفة لنا في الطبيعة ، من أجل التناظر الفائق ، يلزم واحد أو اثنين من الجسيمات الإضافية ، والتي عادة ما يطلق عليها الفيزيائيون شركاء فائقين ، لديهم خصائص متشابهة ، لكنهم يختلفون في جانب واحد:

إذا كان الجسيم المعروف لنا بالفعل هو بوزون ، فإن شريكه الفائق سيكون فيرميون ، والعكس بالعكس (في هذه المقالة يمكنك أن تقرأ عن البوزونات والفرميونات).

من أجل تجنب التناقضات مع البيانات التي تم الحصول عليها بالفعل ، يجب إخفاء التناظر الفائق بطريقة ماكرة ، حيث يظهر اختلاف ثانٍ بين الجسيم وشريكه الفائق:

تكون كتلة الشريك الخارق أكبر من كتلة الجسيم المعروف لنا بالفعل.

في النسخة الأكثر شيوعًا من التناظر الفائق ، اتضح أن الشريك الفائق لكل جسيم معروف لنا ثقيلًا بما يكفي لتجاوز قوة التجارب السابقة ، ولكن في نفس الوقت يكون ضمن قدرات LHC.


التين. 1: الجسيمات المعروفة وجزيئات هيغز ، بالإضافة إلى شركائهم الخارقين ( sleptons ، sneytrino ، squark ، gluino ، charino ، andutralino) ، تنبأ بها التناظر الفائق. جزيئات أثقل في الأعلى.

السبب الذي يجعل العديد من الفيزيائيين يعتقدون أن الشركاء الفائقين من المحتمل أن يكونوا ضمن قدرات المصادم LHC هو أنهم يعتقدون أن التناظر الفائق يمكن أن يكون حل لغز يعرف باسم مشكلة التسلسل الهرمي للقياس . إذا كان الشركاء الفائقون أكثر صعوبة ، فيجب البحث عن حل لمشكلة التسلسل الهرمي في مكان آخر.

لنفترض أن الفيزيائيين على حق - فلماذا نحتاج إلى البحث عن تصادمات تؤدي إلى ظهور العديد من الطائرات (علامات الكواركات عالية الطاقة / antiquarks / gluons) والكثير من الطاقة المفقودة (علامات الجسيمات غير المرئية)؟

من أين يأتي جواب "الطائرات والطاقة المفقودة"؟

دعني أولاً أخبرك بما يفكر فيه الفيزيائيون ، ثم سأخبرك من أين أتت كل هذه الأشياء.

إليك ما يعتقدونه:


التين. 2: يندفع بروتونان (عرض منظور) تجاه بعضهما البعض ، وسيصطدم الكوارك العلوي داخل البروتون القريب قريبًا مع الكوارك العلوي داخل البروتون البعيد عند نقطة التصادم

نظرًا لأن البروتون يتكون من الكواركات والعلامات القديمة والغلوونات ، والتي تخضع لتفاعلات نووية قوية ، في تصادمات البروتون مع LHC ، فمن الأسهل الحصول على شركاء فائقين لهم من جميع الشركاء الفائقين: squarks ، antiquarks ، و gluino. على سبيل المثال ، (في الشكلين 2 و 3) ، في اصطدام البروتون ، يمكن أن يصطدم الكواركين العلويان ويشكلان الكواركين العلويين.


التين. 3: اصطدام الكواركات العلوية بالتين. 2 ينتج زوجًا من الصرع العلوي ، يتحلل كل منهما على الفور تقريبًا في الكوارك العلوي والمحايد (مزيج من الشركاء الفائقين للفوتون وجزيئات Z و Higgs).

ماذا سيحدث بعد ذلك؟ مثل معظم الجسيمات ، سوف يتحلل الصرير. لماذا؟ في العديد من متغيرات التناظر الفائق ، سوف تتحلل الكربونات إلى كوارك وشريك فائق آخر ، محايد (مزيج من الشركاء الفائقين للفوتون ، جزيئات Z و Higgs). الكواركات تحمل الكثير من الطاقة وتتحول إلى نفاثات ، ولا يطير محايد عبر أجهزة الكشف دون أن يترك أثرا. وفقًا لذلك ، يجب أن نرى طائرتان عاليتا الطاقة ، واحدة لكل كوارك ، وعلامات على أنها ترتد من شيء غير مرئي وغير مكتشف.


التين. 4: كل كوارك عالي الطاقة مع التين. 3 سوف يتحول إلى تيار من الحضارات ، وسوف يفلت محايد من دون تغيير

يظهر التصادم نفسه والمظهر مع الاضمحلال اللاحق للعلامات في الشكل. 3. يظهر في الشكل الطائرات والنفاثات التي تطير من نقطة التصادم. 4. ما يراه الكاشف حقًا - المعلومات الوحيدة التي يتلقاها العلماء - موضح في الشكل. 5.

اختلال التوازن الظاهر في الشكل. 5 ، حيث تذهب معظم المادة إلى اليمين وأعلى ، ولكن لا شيء يذهب إلى اليسار أو الأسفل ، لأسباب تاريخية مؤسفة ولإيجاز يسمى "الطاقة المفقودة". في الواقع ، هذه "دفعة مفقودة في اتجاهات متعامدة مع الأشعة المتصادمة" - العبارة طويلة ، وهو ما يفسر جزئيًا الرغبة في الإيجاز.


التين. 5: سيكتشف الكاشف الموجود على LHC (ATLAS أو CMS) طائرتين من الشكل. 4 على شكل إشارات إلكترونية موضعية تظهر عندما تمر الجسيمات عبر معدات التتبع وتتوقف في كاشف الطاقة. لا يترك اثنان من محايدة أي آثار ، ولا يمكن الحكم على وجودهم إلا من خلال عدم وجود أي شيء ينعكس من الطائرات.

إذا ظهرت أزواج gluino بدلاً من ذلك ، فسيختلف الوضع قليلاً. عادة ، سوف يتحلل كل من اثنين من gluinos إلى كوارك ، antiquark ، ومحايدة ، لذلك سترى أجهزة الكشف مرة أخرى طائرات (في هذه الحالة أربعة) ، جنبًا إلى جنب مع "الطاقة المفقودة" من المحايدة اثنين.

إنها صورة يتخيلها الفيزيائيون عندما يجيبون على سؤالك حول البحث عن التناظر الفائق. لفهم من أين تأتي ، من الضروري دراسة الافتراضات الكامنة.

الافتراضات الكامنة وراء الاستجابة "الطائرات والطاقة المفقودة"

سنقوم بهذه الرحلة المنطقية الآن - هو موضح في الشكل. 6. في نهاية جولتنا ، ستتمكن ، إلى حد ما ، من الحكم على نقاط القوة والضعف في هذه الإجابة على سؤالك الأول.

يتم تضمين ثلاثة الافتراضات الأساسية في المنطق.

الافتراض 1 : نفترض أن هناك مبدأًا إضافيًا في الطبيعة لا يتطلبه التناظر الفائق نفسه ، والذي بموجبه يمكن في أي عملية مادية أن يتغير عدد الشركاء الفائقين برقم زوجي (اسمه الفني هو الحفاظ على التكافؤ R ؛ لا أعلم ليس لأن اسمه مهم للغاية ، ولكن لأنه يمكنك مقابلته في مكان آخر).

لماذا يفرض المنظرون مثل هذا المعيار؟ دون الافتراض 1 ، يتوقع التناظر الفائق وجود تفاعلات جديدة بين جسيمات المادة ، وعادة ما تؤدي إلى الانحلال السريع للبروتونات. وهذا يتعارض مع البيانات. البروتون مستقر للغاية (لحسن الحظ ، حتى معدل التحلل البطيء للبروتونات سيقتلنا ، ويذيب الأرض ، وما إلى ذلك). يمكنك أن تأخذ دبابة تحتوي على مليار تريليون تريليون من البروتونات ، وانتظر عشر سنوات ، ولا تجد بروتونًا فاسدًا واحدًا (نعم ، وحاول الناس القيام بذلك! للقيام بذلك ، تحتاج إلى 180.000 طن من الماء). لذا بدون افتراض 1 التناظر الفائق وسنكون ميتين.

ولكن إذا كان الافتراض 1 صحيحًا - يتم الحفاظ على التكافؤ R ، فإن هذه التفاعلات الجديدة ممنوعة. التناظر الفائق بالإضافة إلى الحفاظ على التكافؤ R يتنبأ بالبروتون طويل العمر جدًا ، والذي يتوافق (في حالة مواتية) مع البيانات.

لاحظ أن شرط الحفاظ على التكافؤ R لا يتم فرضه لأنه يتطلب تناظرًا فائقًا ، أو بناءً على بعض المبادئ النظرية. تمت إضافتها لأن الامتثال للبيانات يتطلب ذلك. هذا أيضًا مطلب معقول تمامًا من وجهة النظر النظرية.

الافتراض 2 : من بين جميع الشركاء الفائقين في الطبيعة ، سيكون شريك جسيم هيجز الأخف ، وبالتالي هذا هو أحد الشركاء الفائقين في الشكل. 1: جلوينو ، سكارك ، أكمامبتون ، سنوترينو ، كارسينو أو محايد.

هذا الافتراض قابل للنقاش. أولاً ، إذا كان التناظر الفائق صحيحًا ، فيجب أن يكون للجرافيتون (حامل الجاذبية) أيضًا شريكًا فائقًا ، الجرافيتينو - وفيه في الشكل. 1 لا. كم هو ثقيل الجرافيتينو؟ لا نعرف. في بعض إصدارات التناظر الفائق ، تكون ثقيلة مثل أثقل الشركاء الفائقين في الشكل. 1 ، squark و gluino. في الإصدارات الأخرى ، هو أخف بكثير ، وقد يكون أخف من الإلكترون! وهذا ينتهك الافتراض 2.

أو في الطبيعة ، قد تكون هناك جزيئات ذات كتل صغيرة جدًا ، لا نعرفها بعد ، نظرًا لأنه من الصعب جدًا تكوينها أو اكتشافها - جسيمات لا تتأثر بأي من القوى الثلاث في الشكل. 1 ، التفاعلات النووية الكهرومغناطيسية ، ضعيفة أو قوية. عادة ما تسمى هذه الجسيمات "مخفية" ، لأنه يصعب الحصول عليها ، على الرغم من الوزن المنخفض. (إذا كنا نتحدث عن عدة أنواع من الجسيمات المخفية ، فغالبًا ما يطلق عليها "القطاع المخفي"). إذا كان التناظر الفائق صحيحًا ، فإن هذه الجسيمات لها أيضًا شركاء فائقون - كما ذكر في المقالة حول التناظر الفائق ، فالتناظر الفائق هو تناظر المكان والزمان ، لذلك يجب أن يكون لأي نوع من الجسيمات المتحركة في المكان والزمان شريكًا فائقًا. وإذا كان أي من هؤلاء الشركاء الخارقين أخف من أخف شريك في الشكل. 1 ، ثم الافتراض 2 خطأ.

الافتراض 2 غير مطلوب من البيانات التجريبية. تشير أفضل الحجج النظرية ضد الجسيمات المخفية إلى أن الطبيعة من المحتمل أن تكون بسيطة وأنيقة ، وبما أن الجسيمات المخفية هي قمامة غير ضرورية ، فإن احتمال وجودها منخفض (سواء كانت هذه الحجة تقنعك أم لا هي مسألة ذوق). أفضل حجة ضد الجرافيتينو الخفيف هو أن الجرافيتينو المستقر يمكن أن يسبب العديد من المشاكل المختلفة خلال الانفجار الكبير. لصالح الافتراض 2 ، هناك حجة أخرى تتعلق بحقيقة أن الشريك الخفيف الأخف يمكن أن يلعب دور المادة المظلمة للكون ، ولكن من أجل فهمها ، يجب علينا أولاً أن نفهم بعضًا من عواقبها الإضافية ، لذلك لن نتطرق إليها بعد.

الافتراض 3 : الشركاء الفائقون الذين يخضعون لتفاعلات نووية قوية - مثل الصخور ، والعلامات القديمة ، والغلينوز - هم على الأرجح ثقيلون ، وأثقل بكثير من الشركاء الخارقين الآخرين ، على الرغم من أنهم ليسوا ثقيلين جدًا بحيث لا يظهرون على المصادم LHC كثيرًا.

هذا الافتراض أكثر هشاشة من الاثنين الآخرين - ماذا تقصد ب "الثقيلة" و "غالبا"؟ ولكن بدلاً من الخوض في هذه الاعتبارات ، سأقول ببساطة أنه في العديد من إصدارات التناظر الفائق ، يتبين أن هذا صحيح. تظهر الحسابات النظرية أنه في العديد من الحالات المختلفة ، يكون هؤلاء الشركاء الفائقون المعرضون للتفاعلات النووية القوية أصعب من معظم البقية. ولكن هذا ليس هو الحال دائمًا.


التين. 6: سلسلة منطقية تقود الفيزيائيين للبحث عن التناظر الفائق من خلال عمليات البحث عن التصادم ، ونتائجها مشابهة للتين. 5. SP - شركاء فائقون ، LSP - أخف شركاء فائقين.

ما يلي من هذه الافتراضات؟ بعض العواقب الهامة للغاية ؛ لتتبع السلسلة ، استخدم الشكل. 6.

الافتراض 1 له ثلاث عواقب رئيسية:

1. إذا بدأت بدون شركاء متميزين (والذي يحدث في حالة اصطدام بروتونين) ، وحصلت عليهم بعد التصادم ، فيجب أن يظهر اثنان منهم على الأقل. لا يمكنك البدء من الصفر شركاء فائقين والحصول على واحد.
2. إذا كان لديك شريك مميز وانفصل ، يجب أن يكون هناك على الأقل شريك مميز واحد من بين نتائج الاستراحة (ربما ثلاثة أو خمسة ، ولكن دائمًا ما يكون واحدًا). لا يمكنك البدء بشريك مميز واحد والحصول على صفر.
3. لا يمكن أن يتحلل الأخف superartner - إنه جسيم مستقر - لأن الجسيمات لا يمكن أن تتحلل إلا إلى جزيئات ذات كتلة أصغر ، لذلك إذا تحلل الأخف superartner ، فهذا يعني أن شريكًا فائقًا تحول إلى صفر شريك فائق.

كم هو رائع! من التناظر الفائق والحفاظ على التكافؤ R ، يتبع وجود جسيم مستقر غير معروف حتى الآن - أخف شريك فائق (LSP). ما هي الخصائص التي يمكن أن يكون لمثل هذا الجسيم؟

لنفترض أن تفاعلًا كهرومغناطيسيًا أو نوويًا قويًا يعمل على هذا الجسيم. ثم (ط) في وقت مبكر من الكون ، خلال الانفجار العظيم ، ستظهر العديد من هذه الجسيمات ؛ (2) أنها ستؤثر على وفرة العناصر المختلفة ، مثل الليثيوم ، خلال الانفجار الكبير ، بحيث لا تتوافق هذه الوفرة مع ملاحظات اليوم ؛ (ثالثًا) ما زالوا يطيرون حول الكون ، وسيتصادم بعضهم مع الأرض ، ويخلق ذرات غريبة ، والتي كان يمكن اكتشافها منذ فترة طويلة من خلال البحث الشامل عن ذرات جديدة غير عادية. على الرغم من أن هذا يستحق مناقشة أطول ، فإن الاستنتاج الرئيسي هو أن أي جسيم مستقر جديد لا يجب أن يتعرض للتفاعلات الكهرومغناطيسية والقوية.

حسنًا ، مع أخذ هذا في الاعتبار ، يتبع من افتراض 2؟ يمكن أن يكون الشريك الخفيف الأخف أحد النيوترينوات أو أحد محايد. يتعرض جميع الشركاء الخارقون الآخرون (الصقور ، النحلون ، الكارسينو والغلوينو) للجسيمات المعروفة للتفاعل الكهرومغناطيسي أو النووي القوي. لأسباب فنية ، يفضل معظم (وليس كل) الخبراء في فيزياء الجسيمات النماذج التي يعمل فيها محايد المحايدة كشريك خارق أخف. يمكن أن يكون مرشحًا ممتازًا لجسيم المادة المظلمة - وهو حجة لصالح الافتراض 2. ولكن حتى لو اتضح أن النيوترينو هو الأخف ، فإن الحجة المؤيدة للعثور على الطائرات والطاقة المفقودة تظل كما هي تقريبًا ، مع بعض التغييرات الطفيفة.

وأخيرًا ، يشير الافتراض 3 إلى أن الحصول على الاسكواش والجلوينو أمر سهل ، وأنهما ثقيلان نسبيًا. هذا يعني أنها تنفجر بطاقة عالية نسبيا. إن الطاقة والزخم اللذين تحملهما الكواركات والمحايد التي تتحلل فيها تكون كبيرة. سوف تحمل الطائرات الناتجة طاقات عالية ، وستكون الطاقة المفقودة كبيرة.

لذلك ، آمل أن تتمكن من فهم الفكرة في الأشكال 3 و 4 و 5. إذا كان التناظر الفائق صحيحًا ، فمن المنطقي ، سنحصل على علامات ثقيلة وجلوينو ؛ سوف تتحلل إلى كواركات عالية الطاقة ومحايدة ؛ ستظهر الكواركات نفسها في شكل نفاثات عالية الطاقة يسهل اكتشافها ، وسيتبع وجود محايد ، لن نكتشفه ، اختلال توازن زخم الطائرات.

حسنًا ، سننظر ، وإما نجده أو لا. ما هي الخطوة التالية؟

لذلك ، إذا رأينا عددًا كبيرًا من التصادمات مع نفاثات ذات طاقات عالية وطاقة مفقودة ، فهذا أمر رائع ؛ ربما اكتشفنا التناظر الفائق. ومع ذلك ، تحذير: يمكن أن تخلق أنواع أخرى من الظواهر الجديدة أحداثًا مماثلة - قد يستغرق الأمر سنوات ، وستكون هناك حاجة إلى الكثير من العمل قبل أن نبدأ في اكتساب الثقة بأننا وجدنا تناظرًا فائقًا ، أو أننا وجدنا شيئًا شيء جديد يشبه التناظر الفائق للوهلة الأولى. فقط سنرى شيئًا مثل الأرز. 5 لن يعني أننا تلقينا ما هو مبين في الشكل. 3!

ولكن إذا لم نرَ فائضًا من هذه الأحداث ، فهل يعني هذا أن التناظر الفائق بالتأكيد ليس من خصائص الطبيعة؟ قبل إجراء مثل هذه الاستنتاجات الوجودية بعيدة المدى حول الكون بناءً على تفسير نتيجة التجربة ، يجب أن نسأل أنفسنا ما الذي يمكن أن يكون قد حدث خطأ في الافتراضات الثلاثة المدرجة (أو مع اثنين من الافتراضات غير المهمة التي لم أعطها هنا). لقد أخبرتك بالفعل بشيء حول ما يمكن أن يحدث خطأ ، وعلى الرغم من أنني لن أخوض في ذلك ، يمكنك أن ترى بنفسك أنه إذا لم نجد مثل هذه الأحداث ، فعندئذ كل ما يمكننا استنتاجه من هذا:

• إما أن التناظر الفائق ليس من خصائص الطبيعة ،
• أو التناظر الفائق هو خاصية للطبيعة ، ولكن هناك خطأ ما في أحد الافتراضات الثلاثة.