Supersymmetrie wird durch Experimente nicht bestätigt, und Physiker suchen nach neuen Ideen

In Experimenten am Large Hadron Collider, einem 26 km langen kreisförmigen Tunnel am CERN-Labor in der Schweiz, in dem hochenergetische Protonen kollidieren, wurde außerhalb des Standardmodells kein Hinweis auf „neue Physik“ erhalten.

Mikhail Shifman , ein junger Moskauer theoretischer Physiker aus dem Jahr 1982, war beeindruckt von der Eleganz einer neuen Theorie namens Supersymmetrie, die versuchte, bekannte Elementarteilchen in einen umfassenderen Katalog von Teilchen im Universum aufzunehmen.

"Meine damalige Arbeit strahlt nur vor Begeisterung", sagt Shifman, ein 63-jähriger Professor an der University of Minnesota. Im Laufe der Jahrzehnte haben er und Tausende anderer Physiker die Supersymmetrie-Hypothese entwickelt, in der Überzeugung, dass Experimente dies bestätigen werden. "Aber die Natur braucht es nicht", sagt er. "Zumindest in einer einfachen, originellen Form."

Da der größte Collider der Welt keine Partikel nachweisen konnte, die nach dieser Theorie existieren müssen, schließt sich Shifman dem Chor der Forscher an und fordert seine Kollegen auf, den Kurs zu ändern.


Mikhail Shifman

In einem im Oktober 2012 veröffentlichten Aufsatz forderte Shifman die Kollegen auf, den Weg der „Entwicklung weit hergeholter und ästhetisch unattraktiver Modifikationen“ der Supersymmetrie aufzugeben, um zu erklären, dass einfachere Versionen der Theorie nicht durch Tests bestätigt werden. Er schreibt, dass es an der Zeit ist, "zu denken und neue Ideen zu entwickeln".

Es gibt aber nicht genug Material für die Arbeit. Bisher sind weder in LHC-Experimenten noch anderswo Hinweise auf „neue Physik“ außerhalb des Standardmodells - des akzeptierten Satzes von Gleichungen, die bekannte Elementarteilchen beschreiben - aufgetaucht. (Das kürzlich entdeckte Higgs-Boson wurde vom Standardmodell vorhergesagt). Jüngste Protonenkollisionstests in Kyoto, Japan, schlossen eine weitere große Klasse supersymmetrischer Modelle und andere Theorien der „neuen Physik“ aus, da sie beim Zerfall von Teilchen nichts Ungewöhnliches fanden.

"Natürlich ist das enttäuschend", sagt Shifman. "Wir sind keine Götter; wir sind keine Propheten." Wie kann man, wenn in den experimentellen Daten keine Hinweise auf die Bewegungsrichtung vorhanden sind, erraten, dass etwas in der Natur passiert? “

Jüngere Physiker, die Teilchen studierten, standen vor einer schwierigen Entscheidung: dem Weg zu folgen, den ihre Lehrer über Jahrzehnte gegangen waren, und noch ausgefeiltere Versionen der Supersymmetrie zu erfinden oder ihren eigenen Weg zu gehen, ohne irgendeine Richtung von irgendwelchen Daten.

„Dies ist eine komplexe Frage, die die meisten von uns noch nicht zu beantworten versuchen“, sagt Adam Falkovsky, Spezialist für Teilchenphysik an der Universität Paris-Süd XI in Orsay, Frankreich, der am CERN arbeitet. In einem Blogbeitrag über japanische Studien scherzt Falkovsky, dass es Zeit ist, nach Arbeit in der Neurologie zu suchen.

"Das ist keineswegs ermutigend", sagte Stephen Martin, Spezialist für Hochenergiephysik an der University of Northern Illinois, der an Supersymmetrie oder kurz SUSY arbeitet. - Ich glaube sicherlich nicht, dass SUSY richtig sein sollte. Ich kann mir einfach nichts Besseres vorstellen. "

Supersymmetrie dominiert seit Jahrzehnten die Teilchenphysik und hat fast alle alternativen physikalischen Theorien ausgeschlossen, die über SM hinausgehen.

"Es ist schwer, den Beitrag der Physiker zu SUSY in den letzten 20 bis 30 Jahren zu überschätzen, daher wird sein Scheitern einen großen Einfluss auf unser Gebiet haben", sagte Peter Woit, Spezialist für Teilchenphysik und Mathematik an der Columbia University.

Die Theorie ist aus drei Gründen attraktiv. Sie sagt die Existenz von Teilchen voraus, aus denen "dunkle Materie" bestehen kann, eine unsichtbare Substanz, die den Rand von Galaxien durchdringt. Es kombiniert die drei grundlegenden Wechselwirkungen bei hohen Energien. Der größte Vorteil besteht darin, dass ein physikalisches Rätsel gelöst wird, das als „Problem der Eichhierarchie“ bezeichnet wird.

Das Rätsel hängt mit dem Missverhältnis der Schwerkraft und der schwachen nuklearen Wechselwirkung zusammen, die 100 Millionen Billionen Billionen beträgt (10 ³²⁾) mal stärker und wirkt in viel kleinerem Maßstab und steuert die Wechselwirkung innerhalb des Atomkerns. Teilchen, die schwache Wechselwirkungen übertragen, W- und Z-Bosonen, erhalten Masse vom Higgs-Feld, dem Energiefeld, das den Raum imprägniert. Es ist jedoch nicht klar, warum die Energie des Higgs-Feldes und dementsprechend die Massen der W- und Z-Bosonen so gering sind. Da andere Teilchen mit dem Higgs-Feld assoziiert sind, müssen ihre Energien im Moment der Quantenfluktuation in das Higgs-Feld eingegossen werden. Dies sollte die Energie des Higgs-Feldes stark erhöhen, die W- und Z-Bosonen massiver machen und dazu führen, dass die schwache Wechselwirkung bis zur Schwerkraft schwächer wird.



Supersymmetrie löst das Hierarchieproblem unter der Annahme, dass für jedes Elementarteilchen ein Zwillings-Superpartner existiert. Nach der Theorie haben die Fermionen, aus denen die Materie besteht, Boson-Superpartner, die Wechselwirkungen übertragen, und vorhandene Bosonen haben Fermion-Superpartner. Da die Arten von Partikeln und ihre Superpartner entgegengesetzt sind, haben die Beiträge ihrer Energie zum Higgs-Feld entgegengesetzte Vorzeichen - einer erhöht sie, der zweite verringert sie. Die Beiträge der Paare werden gegenseitig vernichtet und es treten keine Katastrophen auf. Und als Bonus kann einer der unentdeckten Superpartner Teil der Dunklen Materie sein.

"Supersymmetrie ist schön, und in der Physik lassen wir uns von solcher Schönheit und Ästhetik in die Richtung führen, in die die Wahrheit sein könnte", sagte Brian Greene, theoretischer Physiker an der Columbia University.

Im Laufe der Zeit wurde die Supersymmetrie weniger schön, da die Superpartner nicht erschienen. Um eine Erkennung zu vermeiden, müssen Superpartner-Partikel nach gängigen Modellen viel schwerer sein als ihre Gegenstücke, und anstelle der Symmetrie erscheint ein gekrümmter Spiegel. Die Physiker brachten eine Vielzahl von Ideen vor, wie Symmetrie gebrochen werden kann, und brachten Tausende von Versionen der Supersymmetrie hervor.



Das Brechen der Supersymmetrie ist jedoch ein neues Problem. „Je schwieriger es ist, Superpartner im Vergleich zu vorhandenen Partikeln herzustellen, desto schlechter funktioniert der gegenseitige Ausschluss ihrer Handlungen“, erklärt Martin.

Die meisten Teilchenphysik-Experten in den 1980er Jahren dachten, dass Superpartner nur geringfügig schwerer sein würden als bekannte Teilchen. Aber auf dem Tevatron, einem Beschleuniger in Fermilab, der jetzt von der Arbeit entfernt wurde, wurde nichts dergleichen gefunden. Und während der LHC immer höhere Energien testet, ohne eine Spur von supersymmetrischen Teilchen zu finden, behaupten einige Physiker, dass die Theorie tot ist. "Ich denke, der LHC war der letzte Strohhalm", sagte Voight.

Derzeit sagen die meisten funktionierenden Versionen von Supersymmetrie so schwere Superpartner voraus, dass sie die Auswirkungen ihrer leichten Zwillinge überwältigen würden, wenn es nicht die fein abgestimmte gegenseitige Zerstörung von Einflüssen zwischen verschiedenen Superpartnern gäbe. Eine subtile Anpassung, die die Probleme der Theorie neutralisieren und die Probleme der Hierarchie lösen soll, ist für viele jedoch nicht angenehm. "Dies zeigt, dass wir möglicherweise einen Schritt zurücktreten und über die Probleme nachdenken müssen, für die SUSY erfunden wurde", sagte Shifman.

Einige Theoretiker brachen hervor und argumentieren, dass trotz der Schönheit der ursprünglichen Theorie eine hässliche Kombination von Superpartner-Partikeln und Tröpfchen von Optimierungen in der Natur existieren kann. "Ich denke, es wird ein Fehler sein, sich auf populäre Versionen der Supersymmetrie zu konzentrieren", sagte Matt Strassler, Teilchenphysiker an der Rutgers University. "Beliebtheitswettbewerbe sind ein unzuverlässiger Indikator für die Wahrheit."


Adam Falkovsky

In den weniger beliebten SUSY-Modellen schauen sich die leichtesten Superpartner nur den LHC an. Bei anderen Modellen sind Superpartner nicht schwerer als vorhandene Partikel, aber weniger stabil, wodurch sie schwerer zu erkennen sind. Diese Theorien werden nach dem Upgrade weiterhin auf dem LHC getestet.

Wenn sie nichts Neues finden - und von einer solchen Entwicklung von Ereignissen wie einem "Alptraumszenario" sprechen - werden die Physiker immer noch dieselben Lücken haben, die sie vor drei Jahrzehnten mit dem Gesamtbild des Universums verwechselt haben, bevor die Supersymmetrie sie ordentlich geschlossen hat. Und ohne einen Kollider mit höherer Energie, sagt Falkovsky, wird sich dieser Bereich langsam verschlechtern. "Die Zahl der Arbeitsplätze in der Teilchenphysik wird sinken und Teilchenphysiker werden auf natürliche Weise aussterben."

Grün ist optimistischer. "Wissenschaft ist ein sich selbst anpassendes Ereignis", sagt er. "Falsche Ideen entwurzeln im Laufe der Zeit, weil sie unfruchtbar sind oder zu Sackgassen führen." Und das passiert in der Gegend. Und die Menschen arbeiten weiter an dem, was sie fasziniert, und die Wissenschaft nähert sich der Wahrheit im Zickzack. “

Source: https://habr.com/ru/post/de397363/