Eine kurze Geschichte der physikalischen Theorie der großen Vereinigung

Lawrence Kraus ist theoretischer Physiker, Kosmologe, Direktor des Origins-Projekts und Gründer der School of Earth and Space Research an der Arizona State University. Er ist Autor von Bestseller-Büchern wie The Universe from Nothing und The Physics of Star Trek. Übersetzung eines Auszugs aus seinem zukünftigen Buch „Die größte Geschichte, die bisher erzählt wurde: Warum sind wir hier?“ [Die größte Geschichte, die jemals erzählt wurde - bisher: Warum sind wir hier?].



Vor der Entdeckung des Higgs-Teilchens im Jahr 2012 träumten Experten der Teilchenphysik von zwei Arten von Albträumen. Das erste ist, dass sie beim Large Hadron Collider (LHC) nichts finden werden. In diesem Fall wäre es der letzte große Beschleuniger, der gebaut wurde, um die Grundstruktur des Universums zu untersuchen. Das zweite ist, dass sie das Higgs-Teilchen finden werden, das der theoretische Physiker Peter Higgs 1964 auf dem LHC vorhergesagt hat ... und nichts weiter.

Jede Entdeckung einer Realitätsebene zeigt uns die folgenden Ebenen. Daher hinterlässt jede wichtige Entdeckung in der Wissenschaft normalerweise mehr Fragen als Antworten. Aber dann gibt es uns normalerweise zumindest ein Diagramm des weiteren Weges, das uns hilft, nach Antworten auf neue Fragen zu suchen. Die erfolgreiche Entdeckung des Higgs-Teilchens und die Bestätigung der Existenz eines unsichtbaren Hintergrunds des Higgs-Feldes im Raum (in der Quantenwelt ist jedes Teilchen wie ein Higgs-Teilchen mit einem Feld verbunden) ist zu einer gewichtigen Bestätigung der kühnen wissenschaftlichen Entdeckungen des 20. Jahrhunderts geworden.



Aber Sheldon Lee Glashows Worte haben ihre Relevanz nicht verloren: Das Higgs-Teilchen ähnelt einem Abwasserkanal. Sie versteckt alle unordentlichen Details, über die wir nicht sprechen möchten. Das Higgs-Feld interagiert mit den meisten Elementarteilchen, wenn sie sich im Raum bewegen, und erzeugt eine Widerstandskraft, die ihre Bewegung verlangsamt und ihnen das Aussehen von Masse verleiht. Daher sind die von uns gemessenen Massen von Elementarteilchen, die unsere vertraute Welt ermöglichen, eine Art Illusion, ein Zufall unserer Wahrnehmung.

Diese Idee mag elegant aussehen, ist aber tatsächlich eine besondere Ergänzung des Standardmodells der Physik - sie erklärt drei der vier bekannten Kräfte und wie sie mit Materie interagieren. Es wurde der Theorie hinzugefügt, um die Anforderungen zu erfüllen, die für eine genaue Beschreibung unserer Welt erforderlich sind. Aber die Theorie selbst verlangt es nicht. Das Universum könnte leicht mit masselosen Teilchen und schwachen Wechselwirkungen mit großer Reichweite existieren (eine von vier Wechselwirkungen - der Rest wird starke, elektromagnetische und Gravitationskraft sein). Es wären einfach nicht wir und unsere Fragen. Darüber hinaus ist die genaue Physik des Higgs-Modells nicht nur im Standardmodell definiert. Das Teilchen könnte 20-mal schwerer oder 100-mal leichter sein.

Warum existiert es überhaupt? Und warum hat sie so eine Masse? (Wenn ein Wissenschaftler die Frage „Warum?“ Stellt, bedeutet er tatsächlich „Wie?“.) Wenn es kein Higgs-Teilchen gäbe, gäbe es keine Welt, wie wir sie beobachten - aber dies kann eindeutig nicht genannt werden eine Erklärung. Oder ist es möglich? Die Grundlagen der Higgs-Physik zu verstehen bedeutet zu verstehen, wie wir selbst erschienen sind. Wenn wir fragen: "Warum sind wir hier?", Fragen wir tatsächlich: "Warum sind die Higgs hier?" Und das Standardmodell kann diese Frage nicht beantworten.

Es gibt einige Hinweise, die aus einer Kombination von Theorie und Experiment stammen. Kurz nach der Festlegung der klaren Struktur des Standardmodells im Jahr 1974 und lange vor der experimentellen Bestätigung seiner Details im nächsten Jahrzehnt bemerkten zwei verschiedene Gruppen von Harvard-Physikern, in denen sowohl Sheldon Lee Glashow als auch Stephen Weinberg arbeiteten, etwas Interessantes. Glashow tat zusammen mit Howard Georgie das , was er am besten wusste: Suche nach Mustern in vorhandenen Partikeln und Wechselwirkungen und nach neuen Möglichkeiten unter Verwendung der mathematischen Gruppentheorie.

Im Standardmodell werden schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen bei hohen Energien zu einer einzigen Kraft kombiniert, die Physiker als "elektroschwach" bezeichnen. Dies bedeutet, dass dieselbe Mathematik die schwache und elektromagnetische Wechselwirkung steuert, beide denselben Symmetrien gehorchen und diese beiden Kräfte unterschiedliche Reflexionen derselben einheitlichen Theorie sind. Die Symmetrie wird jedoch "spontan gebrochen", indem das Higgs-Feld mit Partikeln interagiert, die eine schwache Interaktion übertragen, nicht jedoch mit Partikeln, die elektromagnetische Elemente tragen. Diese Eigenschaft der Natur führt dazu, dass diese beiden Wechselwirkungen auf den für unsere Messungen verfügbaren Skalen getrennt und unterschiedlich aussehen - während schwache Wechselwirkungen auf kurzen Entfernungen und elektromagnetische Wechselwirkungen auf großen Entfernungen funktionieren.

Georges und Glashow versuchten, diese Idee zu erweitern und eine starke Wechselwirkung mit ihnen zu verbinden, und fanden heraus, dass alle bekannten Teilchen und drei Wechselwirkungen ohne Schwerkraft natürlich in eine grundlegend symmetrische Struktur passen. Sie schlussfolgerten, dass diese Symmetrie auf einer ultrahohen Energieskala (und in kurzer Entfernung), die über die Möglichkeiten moderner Experimente hinausgeht, spontan zusammenbrechen und zu zwei getrennten Symmetrien führen kann - starken und elektroschwachen Wechselwirkungen. Infolgedessen wird bei niedrigeren Energien und großen Entfernungen die elektroschwache Symmetrie zerstört, wodurch die elektroschwache Wechselwirkung in eine schwache, auf kurze Entfernungen wirkende und elektromagnetische, auf lange wirkende Wechselwirkung aufgeteilt wird.

Sie nannten eine solche Theorie bescheiden die Große Vereinigungstheorie (TVO).

Etwa zur gleichen Zeit bemerkten Weinberg und Georgie zusammen mit Helen Quinn etwas Interessantes und entwickelten die Arbeit von Frank Wilchek, David Gross und David Politzer. Wenn in kleinen Entfernungen die starke Wechselwirkung schwächer wird, werden die elektromagnetischen und schwachen stärker.

Es war nicht notwendig, sieben Spannweiten in der Stirn zu haben, um sich dafür zu interessieren, ob die Stärke von drei verschiedenen Wechselwirkungen in kleinem Maßstab übereinstimmt. Nach der Berechnung stellten sie fest (mit der Genauigkeit, mit der die Wechselwirkungen gemessen wurden), dass eine solche Vereinigung möglich ist, jedoch nur in Abständen, die 15 Größenordnungen kleiner sind als die Größe des Protons.

Wenn TVO von Howard Georgie und Glashow vorgeschlagen wurde - dann war dies eine gute Nachricht, denn wenn alle Teilchen, die wir in der Natur beobachten, auf diese Weise kombiniert werden, müssen neue Teilchen ( Eichbosonen ) vorhanden sein, die eine Verbindung zwischen den Quarks (von denen Protonen und Neutronen) und Elektronen mit Neutrinos. Und dies würde bedeuten, dass Protonen in leichtere Teilchen zerfallen können, was wir im Prinzip beobachten können. Wie Glashow schrieb, "sind Diamanten nicht für immer."

Und schon damals war bekannt, dass die Protonenlebensdauer extrem lang ist. Nicht nur, weil wir noch 14 Milliarden Jahre nach dem Urknall existieren, sondern auch, weil wir im Kindesalter nicht an Krebs sterben. Wenn die durchschnittliche Protonenlebensdauer weniger als eine Milliarde Milliarden Jahre betragen würde, würden in der Kindheit genug Protonen in unserem Körper zerfallen, so dass ihre Strahlung uns töten würde. In der Quantenmechanik sind alle Prozesse probabilistisch. Wenn das durchschnittliche Proton eine Milliarde Milliarden Jahre lebt und wenn Sie eine Milliarde Milliarden Protonen haben, zerfällt jedes Jahr durchschnittlich eines davon. Und in unserem Körper viel mehr als eine Milliarde Milliarden Protonen.

Bei einer so unglaublich kleinen Entfernungsskala und folglich bei einer so großen Massenskala, die mit einem spontanen Symmetriebrechen im TVO verbunden ist, erhalten neue Kalibrierungsbosonen große Massen. Und dies würde dazu führen, dass die von ihnen kontrollierten Wechselwirkungen in so geringen Entfernungen auftreten würden, dass sie aus Sicht von Protonen und Neutronen unglaublich schwach wären. Obwohl Protonen in unserem Fall vorher zerfallen können, können sie infolgedessen überleben, vielleicht eine Million Milliarden Milliarden Milliarden Jahre.

Dank der Ergebnisse von Glashow mit Georgie sowie Georges mit Quinn und Weinberg lagen die Erwartungen an eine großartige Synthese in der Luft. Nach dem Erfolg der elektroschwachen Theorie waren die Teilchenphysiker ehrgeizig und glaubten an eine spätere Vereinigung.

Woher wissen Sie, ob diese Ideen wahr sind? Es war unmöglich, einen Beschleuniger zu bauen, der mit Energien arbeiten konnte, die eine Million Milliarden Mal größer waren als die Restmasse der Protonen. Der Umfang einer solchen Maschine müsste mit der Umlaufbahn des Mondes verglichen werden. Und selbst wenn es möglich wäre, würde aufgrund des Versagens des supraleitenden Superkolliders keine Regierung eine solche Schätzung genehmigen [Dieser Collider, auch Desertron genannt, hätte in den 90er Jahren in Texas gebaut werden sollen, aber aufgrund von Budgetproblemen das Projekt wurde abgesagt. Es war geplant, dass sein Umfang 87,1 km betragen würde. 2 Milliarden US-Dollar wurden für den Bau ausgegeben, und die endgültigen Kosten wurden auf 12 Milliarden US-Dollar geschätzt - ca. übersetzt.].

Glücklicherweise gab es einen anderen Weg - die von mir beschriebene Wahrscheinlichkeit zu nutzen und die Protonenlebensdauer zu begrenzen. Wenn TVO eine Protonenlebensdauer von einer Milliarde Milliarden Milliarden Jahren vorhersagt, müssen Sie eine Milliarde Milliarden Milliarden Protonen in einen Detektor stopfen, und dann zerfällt durchschnittlich eines von ihnen jedes Jahr.

Und wo bekommt man so viele Protonen? Es ist ganz einfach: in 3000 Tonnen Wasser.

Dazu musste lediglich ein Wassertank im Dunkeln aufgestellt werden, es sollte kein radioaktiver Hintergrund vorhanden sein, dieser mit empfindlichen Fotozellen umgeben sein, die Lichtblitze im Detektor erkennen können, und dann ein Jahr warten, bis ein Lichtblitz auftritt, wenn das Proton zerfällt. Es klingt beängstigend, aber dennoch wurden nach einem solchen Schema mindestens zwei große Versuchsanlagen bezahlt und gebaut - eine tief unter der Erde in einem Salzbergwerk in der Nähe des Eriesees (IMB) und die andere in einer Kamioka-Zinkmine in Japan (Kamiokande). Die Minen wurden verwendet, um kosmische Strahlen abzuschneiden, vor deren Hintergrund es unmöglich sein würde, den Zerfall des Protons zu bemerken.


Großer Hadron Collider

Beide Experimente begannen 1982-1983 zu funktionieren. Die Wissenschaftler waren von TVO so begeistert, dass sie zuversichtlich darauf warteten, dass das Signal bald erscheint. In diesem Fall wäre TVO der Höhepunkt eines Jahrzehnts enormer Entwicklungen und Entdeckungen in der Teilchenphysik - ganz zu schweigen vom nächsten Nobelpreis für Glashow und möglicherweise noch mehr.

Leider war die Natur in diesem Fall nicht so freundlich. Weder im ersten noch im zweiten noch im dritten Jahr erschien ein einziges Signal. Das einfache und elegante Modell von Glashow und Georgie musste bald abgelehnt werden. Aber das TBO-Fieber hatte bereits Wissenschaftler gefangen genommen, und es war schwierig, es loszuwerden. Andere Vorschläge wurden in Bezug auf Vereinigungstheorien gemacht, aufgrund derer der Zerfall von Protonen über den Rahmen aktueller Experimente hinausgehen würde.

Am 23. Februar 1987 ereignete sich ein weiteres Ereignis, das erneut einen fast universellen Aphorismus demonstrierte: Jedes neue Fenster in das Universum überrascht uns. An diesem Tag entdeckte eine Gruppe von Astronomen auf über Nacht angesammelten Fotoplatten den nächsten explodierenden Stern (Supernova) von allem, was wir in den letzten 400 Jahren gesehen haben. Dieser Stern, 160.000 Lichtjahre von uns entfernt, befand sich in der Großen Magellanschen Wolke , einer kleinen Galaxie, einem Satelliten der Milchstraße, der auf der südlichen Hemisphäre zu sehen ist.

Wenn unsere Theorien über explodierende Sterne wahr sind, sollte der größte Teil der Energie, die sie emittieren, die Form eines Neutrinos annehmen, obwohl das Licht ihrer Explosion das hellste kosmische Feuerwerk ist (und sie explodieren in 100 Jahren um einen Stern in einer Galaxie). Grobe Berechnungen zeigten, dass IMB- und Kamiokande-Wasserdetektoren etwa 20 Kollisionen mit Neutrinos nachweisen mussten. Und als die Experimentatoren dieser Detektoren die Daten dieses Tages untersuchten, fand IBM 8 Kandidaten im Abstand von 10 Sekunden und Kamiokand - 11. Für die Neutrinophysik war es nur ein Meer von Daten. Die Neutrinoastrophysik ist plötzlich gereift. Wahrscheinlich basierten 1900 wissenschaftliche Arbeiten verschiedener Physiker (einschließlich meiner selbst) auf diesen 19 Ereignissen, die erkannten, dass dieses Ereignis uns ein beispielloses Fenster in die Kerne explodierender Sterne und in das Labor nicht nur für die Astrophysik, sondern auch für die Neutrinophysik öffnete.

Angetrieben von der Idee, dass große Protonenzerfallsdetektoren gleichzeitig zu astrophysikalischen Neutrino-Detektoren werden können, begannen mehrere Gruppen von Wissenschaftlern, eine neue Generation solcher Doppelzweckdetektoren zu bauen. Die größte wurde in der Kamioka-Mine wieder aufgebaut und Super Kamiokande genannt - und das aus gutem Grund. Dieses riesige Wasserreservoir mit einem Gewicht von 50.000 Tonnen, umgeben von 11.800 Fotozellen, arbeitete in einer bestehenden Mine, und das Experiment wurde mit Laborsauberkeit durchgeführt. Dies war notwendig, da bei einem so großen Detektor nicht nur die äußeren kosmischen Strahlen, sondern auch die internen radioaktiven Verunreinigungen, die alle nützlichen Signale in den Schatten stellen würden, berücksichtigt werden mussten.

Inzwischen war auch das Interesse an astrophysikalischen Neutrinos am höchsten. Die Sonne emittiert Neutrinos als Folge von Kernreaktionen in ihrem Kern, und 20 Jahre lang entdeckte der Physiker Ray Davis solare Neutrinos, aber die Ereignisse ereigneten sich dreimal weniger als von den besten Modellen der Sonne vorhergesagt. In der Sudbury-Mine in Kanada wurde ein neuer Typ eines solaren Neutrino-Detektors namens Sudbury Neutrino Observatory (SNO) gebaut.

Bis heute arbeitet Super Kamiokande seit 20 Jahren fast ununterbrochen, manchmal mit verschiedenen Verbesserungen. Seitdem wurden keine Signale vom Protonenzerfall und keine neuen Supernovae beobachtet. Die genaue Beobachtung von Neutrinos in Verbindung mit zusätzlichen Beobachtungen zu SNO bestätigte jedoch eindeutig die Realität des von Ray Davis entdeckten solaren Neutrino-Mangels. Es wurde festgestellt, dass das Defizit nicht auf astrophysikalische Phänomene in der Sonne zurückzuführen ist, sondern auf die Eigenschaften von Neutrinos. Es wurde klar, dass mindestens eine der drei Arten von Neutrinos nicht masselos ist. Da Neutrinos nicht im Standardmodell enthalten sind, war dies die erste bestätigte Beobachtung, dass einige neue Physikbereiche außerhalb des Standardmodells und von Higgs funktionieren.

Hochenergetische Neutrinos bombardieren regelmäßig die Erde, nachdem Protonen hochenergetischer kosmischer Strahlen mit der Atmosphäre kollidieren und einen breiten Luftschauer aus sekundären subatomaren Partikeln erzeugen, in denen sich auch diese Neutrinos befinden. Beobachtungen von ihnen zeigten, dass der zweite Neutrino-Typ ebenfalls Masse hat. Es ist etwas größer als das erste, aber viel kleiner als die Masse des Elektrons. Für diese Beobachtung erhielten Teams von SNO und Kamiokande 2015 einen Nobelpreis - eine Woche bevor ich anfing, dieses Buch zu schreiben. Bis heute wurden diese verführerischen Anspielungen auf die neue Physik nicht mit unseren Theorien erklärt.

Das Fehlen eines Protonenzerfalls war eine Enttäuschung, aber keine vollständige Überraschung. Von dem Moment an, als TVO erstmals vorgeschlagen wurde, hat sich die Landschaft der Physik verändert. Genauere Messungen der Werte der drei nicht-gravitativen Wechselwirkungen sowie kompliziertere Berechnungen von Änderungen ihrer Größe mit der Entfernung zeigten, dass die Kräfte dieser drei Wechselwirkungen nicht auf einer Skala kombiniert werden, wenn nur Partikel aus dem Standardmodell in der Natur existieren. Damit die Große Vereinigung stattfinden kann, muss eine neue Physik existieren, die sich auf einer Energieskala befindet, die alles übertrifft, was wir bisher beobachtet haben. Und das Vorhandensein neuer Partikel würde nicht nur die Energieskala für die Kombination der drei Wechselwirkungen verändern, sondern auch die Skala für TBO erhöhen, wodurch die Zerfallsrate des Protons verringert wird - und ihre Lebensdauer über Millionen von Milliarden von Milliarden von Jahren hinaus verlängert wird.


Großer Hadron Collider

Parallel zu diesen Ereignissen verwendeten Theoretiker aktiv neue mathematische Werkzeuge, um eine neue wahrscheinliche Art von Symmetrie zu untersuchen, die sie als Supersymmetrie bezeichneten. Diese fundamentale Symmetrie unterscheidet sich von anderen bekannten darin, dass sie zwei verschiedene Arten von Partikeln bindet - Fermionen (Partikel mit einem halben ganzzahligen Spin) und Bosonen (Partikel mit einem ganzen Spin). Und unter dem Strich muss für jedes im Standardmodell bekannte Partikel mindestens ein neues Partikel vorhanden sein, wenn eine solche Symmetrie in der Natur beobachtet wird. Für jedes neue Boson muss eine Fermion existieren. Für jede Fermion ein Boson.

Da wir diese Teilchen nicht beobachten, kann sich diese Symmetrie nicht auf der Ebene des Universums manifestieren, die für uns zugänglich ist, und muss daher gebrochen werden - was bedeutet, dass neue Teilchen Massen haben müssen, die groß genug sind, um noch nicht in vorhandenen Beschleunigern gefunden zu werden.

Was ist an der Symmetrie so attraktiv, dass sich die Anzahl der Partikel in der Natur plötzlich verdoppelt, wenn es keine Beweise für ihre Existenz gibt? Zum größten Teil wird sie von der Großen Vereinigung verführt. Wenn TVO auf einer Massenskala von 15 bis 16 Größenordnungen größeren Protonenruhmassen existiert, ist es 13 Größenordnungen größer als die Skalen, bei denen die elektroschwache Symmetrie gebrochen wird. Die Frage ist, wie und warum in den Grundgesetzen der Natur eine so große Größenlücke besteht. Insbesondere wenn Higgs wirklich das letzte Teilchen des Standardmodells ist, stellt sich die Frage: Warum ist die Higgs-Symmetrie-Bruch-Energieskala um 13 Größenordnungen kleiner als die Symmetrie-Bruch-Skala eines neuen Feldes, das die TBO-Symmetrie in separate Wechselwirkungen zerlegt?

Und das Problem ist noch schlimmer als es scheint.Wenn wir die Auswirkungen virtueller Partikel (die so schnell entstehen und verschwinden, dass ihre Existenz nur indirekt bestätigt werden kann) betrachten, einschließlich Partikel einer willkürlich großen Masse (wie z. B. Eichpartikel der angenommenen TBT), wird klar, dass die Masse und das Ausmaß des Higgs-Symmetriebruchs so stark zunehmen, dass Annäherung an das enorme Ausmaß von TVO. Daher das sogenannte das Problem der Natürlichkeit . Technisch gesehen ist die Existenz einer riesigen Hierarchie von Skalen unnatürlich , von denen, bei denen das Higgs-Teilchen die elektroschwache Symmetrie bricht, bis zu denen, bei denen die TVO-Symmetrie durch ein neues Skalarfeld gebrochen wird, was auch immer es ist.

Der mathematische Physiker Edwart Whitten schrieb in seiner wegweisenden Arbeit von 1981, dass Supersymmetrie eine besondere Eigenschaft hat. Es kann die Wirkung virtueller Teilchen mit beliebig großer Masse und Energie auf die Eigenschaften der Welt in den Maßstäben reduzieren, die für unsere Beobachtungen zur Verfügung stehen. Da virtuelle Fermionen und virtuelle Bosonen derselben Masse, abgesehen vom Vorzeichen, zu identischen Quantenkorrekturen führen, werden die Quanteneffekte virtueller Teilchen gegenseitig vernichtet, wenn jedes Boson einer Fermion derselben Masse entspricht. Und das bedeutet, dass die Wirkung virtueller Teilchen mit beliebig großer Masse und Energie auf die Eigenschaften der Welt auf den Skalen, die für unsere Beobachtungen zur Verfügung stehen, vollständig verschwindet.

Wenn die Supersymmetrie selbst gebrochen ist (wie es sein sollte, sonst hätten alle supersymmetrischen Partner gewöhnlicher Materie die gleiche Masse wie gewöhnliche Teilchen, und wir hätten sie schon vor langer Zeit entdeckt), werden Quantenkorrekturen nicht zerstört. Sie führen zu Massenergänzungen in Maßstäben, die mit denen vergleichbar sind, bei denen die Supersymmetrie gebrochen ist. Wenn sie mit dem Ausmaß der Verletzung der elektroschwachen Symmetrie vergleichbar wären, würde dies das Ausmaß der Higgs-Masse erklären.

Dies bedeutet auch, dass man die Beobachtung einer Reihe neuer Teilchen - supersymmetrische Partner gewöhnlicher Materie - auf den Skalen erwarten kann, die der LHC jetzt untersucht.

Dies würde das Problem der Natürlichkeit lösen, da es die Massen des Higgs-Bosons vor Quantenkorrekturen schützen würde, die sie auf die Energieskala des TVO bringen würden. Supersymmetrie kann die Existenz einer „natürlich“ großen Hierarchie von Energie und Masse ermöglichen, die die elektroschwache Skala und die Skala des TVO teilt.

Die Tatsache, dass Supersymmetrie im Prinzip das Problem der Hierarchie lösen kann, hat ihre Attraktivität für Physiker erhöht. Theoretiker begannen, realistische Modelle zu untersuchen, einschließlich des Aufbrechens der Supersymmetrie und anderer Konsequenzen dieser Idee. Danach hat der „Tauschwert“ der Supersymmetrie alle Rekorde gebrochen. Wenn wir die Möglichkeit eines spontanen Aufbrechens der Supersymmetrie in die Berechnungen der Änderungen von drei nicht-gravitativen Wechselwirkungen in Abhängigkeit von der Entfernung einbeziehen, stellt sich heraus, dass die Stärke dieser drei Wechselwirkungen natürlich plötzlich auf eine Skala kleiner Entfernungen konvergiert. TVO ist wieder in Betrieb!

Modelle mit gebrochener Supersymmetrie haben ein weiteres attraktives Merkmal. Lange vor der Entdeckung des oberen Quarks wurde gezeigt, dass wenn der obere Quark schwer ist, er durch Wechselwirkung mit anderen supersymmetrischen Partnern zu Quantenkorrekturen der Eigenschaften des Higgs-Teilchens beitragen kann, die zu einer Änderung des Higgs-Feldes führen. Wenn die Große Vereinigung auf einer viel größeren Skala von Energien stattfindet, sollte das Higgs-Feld auf dem Energieniveau, auf dem die aktuellen Messungen stattfinden, einen kohärenten Hintergrund im gesamten Raum bilden. Kurz gesagt, die Energieskala des elektroschwachen Symmetriebrechens kann natürlich in einer Theorie auftreten, in der VO in einem viel größeren Maßstab auftritt. Und als der obere Quark entdeckt und festgestellt wurde, dass er wirklich schwer war,Dies trug zur Attraktivität der Möglichkeit bei, dass das Brechen der Supersymmetrie für die beobachteten Energieskalen schwacher Wechselwirkungen verantwortlich ist.

Aber das alles hat einen Preis. Damit eine Theorie funktioniert, muss es zwei Higgs-Bosonen geben, nicht eines. Darüber hinaus müssten in einem Beschleuniger wie dem LHC neue supersymmetrische Teilchen gefunden werden - er kann neue Physik im Bereich elektroschwacher Skalen untersuchen. Und schließlich, was für einige Zeit als zu strenge Einschränkung erschien - das leichteste der Higgs konnte nicht zu schwer sein, oder dieser Mechanismus würde überhaupt nicht funktionieren.

Da die Suche nach Higgs ohne großen Erfolg fortgesetzt wurde, näherten sich die Beschleuniger in supersymmetrischen Theorien konsequent der theoretischen Obergrenze der Higgs-Lichtmasse. Dieser Wert betrug etwa 135 Protonenmassen, und die Details hingen bereits vom spezifischen Modell ab. Wenn Higgs nicht auf dieser Skala gefunden würde, würde dies bedeuten, dass der ganze Hype um Supersymmetrie immer noch ein Hype wäre.

Aber es stellte sich anders heraus. Auf dem LHC gefundene Higgs haben eine 125-fache Masse des Protons. Es ist möglich, dass wir eine großartige Synthese erreichen.

Bisher ist die Antwort unklar. Anzeichen für das Vorhandensein neuer supersymmetrischer Teilchen, falls vorhanden, sollten auf dem LHC so deutlich sichtbar sein, dass einige Physiker der Ansicht waren, dass die Wahrscheinlichkeit, Supersymmetrie zu entdecken, viel wahrscheinlicher ist, Higgs zu finden. Aber alles ging schief. Nach dreijähriger Betriebszeit sind keine Anzeichen einer Supersymmetrie sichtbar. Die Situation wird unangenehm. Die niedrigeren Beschränkungen, die den Massen der supersymmetrischen Partner gewöhnlicher Materie auferlegt werden, nehmen ständig zu. Wenn sie zu hoch steigen, liegt die Supersymmetriebrechungsskala nicht mehr nahe an der elektroschwachen Skala, und viele attraktive Supersymmetriebrechungseigenschaften, die die Lösung des Hierarchieproblems ermöglichen, verschwinden einfach.

Aber die Hoffnung bleibt bestehen und der LHC wird wieder eingeschaltet, bereits mit einer höheren Energie. Es ist möglich, dass supersymmetrische Partikel bald erkannt werden.



Ihre Erkennung führt zu einem weiteren wichtigen Ergebnis. Eines der größten Geheimnisse der Kosmologie ist die Natur der Dunklen Materie, die alle Galaxien zu dominieren scheint, die wir sehen. Es existiert so viel, dass es nicht aus den gleichen Teilchen wie normale Materie bestehen kann. Wenn es aus normalen Partikeln bestehen würde, wären beispielsweise Vorhersagen über die Häufigkeit solcher leichten Elemente wie Helium, die während des Urknalls erhalten wurden, nicht mit Beobachtungen vereinbar. Daher sind Physiker ziemlich zuversichtlich, dass dunkle Materie aus einer neuen Art von Elementarteilchen besteht. Aber welches?

Der leichteste supersymmetrische Partner gewöhnlicher Materie in den meisten Modellen ist vollständig stabil und seine Eigenschaften ähneln denen von Neutrinos. Es würde schwach interagieren und elektrisch neutral sein, so dass es kein Licht absorbieren oder emittieren würde. Darüber hinaus haben die Berechnungen von vor 30 Jahren, an denen ich auch beteiligt war, gezeigt, dass sich die Resthäufigkeit des leichtesten supersymmetrischen Teilchens, das nach dem Urknall übrig bleibt, natürlich als so herausstellen würde, dass sie der Dominanz der dunklen Materie in Galaxien durch die Masse entspricht.

In diesem Fall würde unsere Galaxie einen Lichthof aus Partikeln der dunklen Materie haben, der durch ihre Teile pfeift, einschließlich des Raums, in dem Sie sie lesen. Wie viele von uns seit langem verstanden haben, bedeutet dies, dass Sie empfindliche unterirdische Detektoren entwickeln können, die, wenn auch nur im Wesentlichen, vorhandenen Neutrino-Detektoren ähneln, und Partikel der dunklen Materie direkt erfassen können. Ein Dutzend exzellenter Experimente auf der ganzen Welt versuchen genau das zu tun. Aber bisher hat niemand etwas gefunden.

Deshalb leben wir jetzt entweder in besseren oder in schlechteren Zeiten. Es gibt einen Wettlauf zwischen dem LHC und den unterirdischen Detektoren der Dunklen Materie um das Recht, als erster seine Natur zu entdecken. Wenn eine Gruppe ihre Entdeckung ankündigt, wird sie die Entdeckung einer völlig neuen Welt von Entdeckungen einleiten, was möglicherweise zu einem Verständnis von TVO selbst führt. Und wenn es in den kommenden Jahren keine Entdeckungen gibt, kann die Option des supersymmetrischen Ursprungs der Dunklen Materie ausgeschlossen werden - und im Allgemeinen die gesamte Idee der Supersymmetrie als Lösung für das Hierarchieproblem. In diesem Fall müssen Sie zur Tafel zurückkehren. Wenn jedoch keine Signale vom LHC vorliegen, wissen wir nicht, in welche Richtung wir uns bewegen sollten, um ein neues Naturmodell zu entwickeln.

Alles wurde viel interessanter, als der LHC ein mögliches Signal entdeckte, das uns ein neues Teilchen versprach, das sechsmal schwerer als die Higgs ist. Die Eigenschaften dieses Teilchens stimmten nicht mit den erwarteten Eigenschaften eines der supersymmetrischen Partner gewöhnlicher Materie überein. Normalerweise verschwinden bei der Verarbeitung eines großen Datenarrays die verführerischsten Hinweise auf Signale, und sechs Monate nach dem Auftreten dieses Signals und der Datenverarbeitung verschwinden sie. Andernfalls könnte er unsere gesamte Vorstellung von TVO und elektroschwacher Symmetrie ändern und auf die Existenz einer neuen fundamentalen Wechselwirkung und einer damit verbundenen neuen Menge von Partikeln hinweisen. Obwohl dies zu hoffnungsvollen theoretischen wissenschaftlichen Arbeiten führte, entschied die Natur auf ihre eigene Weise.

Ein Team von Physikern ist jedoch nicht besorgt über das Fehlen einer eindeutigen experimentellen Erkennung oder Bestätigung der Supersymmetrie für lange Zeit und immer noch. Die mathematische Schönheit der Supersymmetrie im Jahr 1984 inspirierte Wissenschaftler, eine Idee wiederzubeleben, die seit den 1960er Jahren döst. Dann versuchten Yoichiro Nambu und Kollegen, eine starke Wechselwirkung herauszufinden, indem sie sie als stringartige Signale darstellten, die Quarks verbinden. Und als Supersymmetrie in die Quantenstringtheorie aufgenommen wurde, um die sogenannte Superstringtheorie zu erhalten, tauchten erstaunlich schöne mathematische Ergebnisse auf. Darunter besteht die Möglichkeit, nicht nur drei nicht-gravitative Wechselwirkungen, sondern im Allgemeinen alle vier in der Natur bekannten Kräfte in einer konsistenten Quantenfeldtheorie zu kombinieren.

Diese Theorie erfordert jedoch die Existenz eines ganzen Haufens zusätzlicher Raum-Zeit-Dimensionen, die noch niemand beobachtet hat. Darüber hinaus enthält die Theorie keine Vorhersagen, die auf dem aktuellen experimentellen Niveau verifiziert werden könnten. Darüber hinaus ist es in letzter Zeit so kompliziert geworden, dass es nun so aussieht, als ob die Zeichenfolgen selbst nicht mehr die zentralen dynamischen Variablen dieser Theorie sind.

Dies hat jedoch nicht die Begeisterung der eifrigsten, hingebungsvollsten und äußerst talentierten Anhänger der Superstring-Theorie gedämpft, die heute als M-Theorien bekannt ist und seit 30 Jahren daran arbeitet. In regelmäßigen Abständen erscheinen Aussagen über enormen Erfolg, aber bisher fehlt der M-Theorie ein Schlüsselelement, das den Triumph eines wissenschaftlichen Unternehmens wie des Standardmodells sicherstellte: die Fähigkeit, mit der Welt in Kontakt zu treten, die wir messen, Rätsel lösen, die mit anderen Methoden unerklärlich sind, und grundlegende Informationen zu liefern Erklärungen, warum unsere Welt so ist, wie sie ist. Dies bedeutet nicht, dass die M-Theorie falsch ist, aber bisher stellt sie nur eine Argumentation dar, obwohl sie ein gutes Motiv hat.

Wenn Sie den Lehren der Geschichte folgen, wird klar, dass sich die fortschrittlichsten physikalischen Theorien als falsch herausstellten. Ansonsten könnte sich jeder mit theoretischer Physik beschäftigen. Es dauerte mehrere Jahrhunderte, und wenn wir die Wissenschaft der alten Griechen berücksichtigen, dann mehrere Jahrtausende, die Versuch-und-Irrtum-Methode, die zur Entstehung des Standardmodells führte.

Und hier sind wir. Werden uns bald neue experimentelle Enthüllungen erwarten, die die größten Argumente der theoretischen Physik bestätigen oder widerlegen können? Oder sind wir am Rande der Wüste und die Natur gibt uns keine Hinweise auf die Richtung der Suche nach Antworten auf die Geheimnisse des Weltraums? Wir werden es herausfinden und auf jeden Fall mit einer neuen Realität leben müssen.