Qu'est-ce que la supersymétrie?
La supersymétrie est une symétrie hypothétique de l'espace et du temps, et elle est unique. Pendant des décennies, cette idée a été très populaire parmi les physiciens théoriciens pour un certain nombre de raisons - c'était un succès lorsque j'étais étudiant, avant même que la physique ne devienne un sujet cool, et même plus tôt.
Une conséquence automatique de la présence de symétrie dans la nature sera que chaque type de particule aura un ou plusieurs super partenaires - un autre type de particule qui a les mêmes propriétés, mais diffère d'une manière certaine et importante. Si la particule est un fermion, alors son superpartenaire est un boson. Si une particule est un boson, son superpartenaire est un fermion (
que sont les fermions et les bosons ).
Dans notre monde, de nombreux fermions sont tous des particules de matière - et de nombreux bosons sont tous porteurs d'interactions. Mais aucune de ces particules n'a les propriétés qui conviennent pour être quelqu'un de super partenaire. Par conséquent, si la supersymétrie était une symétrie naturelle, chacun des types de particules élémentaires que nous connaissons devrait avoir des partenaires, jusqu'à ce que nous soyons découverts. Et comme nous connaissons plus de 20 particules, nous avons beaucoup de travail à faire!
Quelle est donc cette symétrie? Il s'agit d'une symétrie qui relie l'espace et le temps aux directions de l'espace et du temps des super partenaires - en d'autres termes, l'espace-temps a des dimensions supplémentaires contrairement à celles que nous connaissons. Dans la dimension bosonique - nous y sommes habitués - vous pouvez vous déplacer aussi loin que vous le souhaitez, par exemple, vous déplacer pas à pas à gauche. Dans la dimension fermionique, tout est arrangé de sorte qu'un seul pas puisse être fait. Si vous faites un pas de plus, vous ne vous trouverez nulle part. Vous ne pouvez que revenir. Cela semble étrange, et ça l'est; en fin de compte, il est nécessaire de déterminer ces mesures par le biais des mathématiques, et non en utilisant des mots ou des analogies.
La théorie de la relativité d'Einstein fait un excellent travail de description et de prédiction de nombreux aspects de notre monde. Sa théorie consiste en un ensemble d'équations obéissant à un certain ensemble de symétries. Par exemple, symétrie translationnelle, ou symétrie associée au transfert d'une expérience d'un endroit dans l'espace-temps à une autre: une expérience menée aujourd'hui à Londres produira le même résultat que la même expérience menée quelques mois plus tard à Tokyo. Dans les années 1960, il a été prouvé mathématiquement que la supersymétrie est la seule symétrie qui puisse être ajoutée aux symétries de la théorie d'Einstein afin que les équations résultantes ne commencent pas à diverger des propriétés du monde réel. En ce sens, la supersymétrie se distingue.
Où sont ces particules superpartenaires?
Si la supersymétrie était la symétrie exacte de la nature, nous trouverions déjà de nombreux super partenaires.
Avant de poursuivre, rappelons quelles
particules élémentaires nous sont
connues . Dans l'article par référence fig. 1 et 2 sont particulièrement utiles pour capturer les particules en un coup d'œil et les comparer avec les figures ci-dessous.
Fig. 1Dans la fig. 1, j'ai montré quelles particules existeraient dans le monde si le modèle standard était complété par une supersymétrie précise.
• Pour chaque fermion de matière, par exemple, un électron ou un étrange quark, il y a deux nouvelles particules - les deux bosons. Leurs noms sont assez laids, un électron et un étrange squark, où "c" signifie supersymétrie. Vous pouvez vous demander pourquoi il y en a deux (et pourquoi il n'y en a qu'un pour chaque neutrino). Se référer à la fig. 3 ci-dessous, et tout devrait devenir clair pour vous.
• Pour les bosons porteurs, il existe des partenaires fermions. Un photon a un photino, un gluon a un gluino, etc. Avec des bosons W massifs, les choses sont un peu plus compliquées. Ils ont un partenaire vin [wino], ainsi qu'un partenaire Higgs nommé H
+ (Attention! Cette particule ne doit pas être confondue avec la particule H
+ qui apparaît dans un article qui dit
ce qui arriverait au modèle standard si le champ Higgs était Malheureusement, dans la physique des particules avec des noms de particules, il y a un problème constant - il n'y a pas assez de lettres). Toutes ces particules ont exactement la même masse dans ce monde imaginaire supersymétrique.
• Dans ce modèle, il y a deux particules de Higgs, h
0 et H
0 , et chacune a un partenaire Higgsino. L'un est sans masse, le second est massif. Pourquoi deux? Il s'avère que dans le monde supersymétrique, deux particules sont nécessaires pour que la masse apparaisse dans les quarks supérieurs et inférieurs de la manière habituelle. Le deuxième argument est que deux Higgsino sont nécessaires pour la cohérence mathématique.
Mais, évidemment, ce monde idéalement supersymétrique n'est pas le nôtre. Comme le montre la figure, dans un tel monde, les particules et leurs super partenaires:
• De même interagir avec d'autres particules et leurs super partenaires.
• Avoir exactement le même poids.
Nous aurions connu il y a plus de cent ans l'existence de particules qui auraient la même charge électrique et la même masse que les électrons, mais ce ne seraient pas des électrons. Par exemple, nous aurions des atomes avec des électrons, des atomes avec des électrons et des atomes avec leur mélange. Le nombre de types d'atomes serait beaucoup plus grand que ceux observés, et puisque les bosons dans les atomes se comporteraient complètement différemment des fermions, la chimie des nouveaux atomes serait complètement différente. Les données et l'expérience quotidienne excluent cette possibilité. Il n'y a pas d'électrons avec une masse d'électrons, et c'est le point. La supersymétrie exacte n'est donc pas une théorie correcte de la nature, et nous le savions avant même de la concevoir.
La fin de la supersymétrie? Pas si vite.
Malgré l'apparente catastrophe, la théorie originale de la supersymétrie nous offre un moyen simple et plausible de sortir de la situation. L'idée que les symétries peuvent être cachées à notre regard est répandue en physique (les physiciens disent rompre spontanément, mais ce n'est pas un très bon exemple intuitif - il y a de la symétrie, c'est tout simplement difficile à reconnaître).
Fig. 2Un exemple est la symétrie de rotation sur Terre. Les lois de la nature ne dépendent pas de l'orientation de l'expérience (voir Fig. 2). C'est vrai, mais c'est difficile à voir sur Terre, où il importe que votre expérience soit tournée du côté droit vers le haut, ou qu'elle soit à l'envers, ou qu'elle soit inclinée. Mais dans l'espace lointain, loin des planètes, des lunes et des étoiles, les lois de la nature ont une symétrie de rotation. Votre expérience donnera la même réponse quelle que soit son orientation. Soit dit en passant, les mesures de la lumière émise par des atomes très éloignés confirment cette théorie. La Terre nous confond. Cela nous fait penser que la direction vers le bas est différente de la direction vers le haut ou vers la gauche. Mais cette différence apparente n'est pas une propriété des lois de la nature. La différence provient de la proximité de la Terre cachant la symétrie de rotation de notre regard.
La question est, si un aspect de notre monde (pas aussi rude que la Terre, mais certains imperceptibles, comme le champ de Higgs) se cache à nos yeux de la supersymétrie à travers l'Univers? Et alors? Il se trouve qu’il est assez facile d’obtenir le même monde que le nôtre, où les superpartenaires de pièces célèbres existent, devenant plus difficiles - trop lourds pour nous à trouver dans les expériences.
Fig. 3Un monde possible réaliste de ce type - peut-être similaire au nôtre - est illustré à la fig. 3. Vous voyez que la violation de la supersymétrie (le fait qu'elle se cache et n'est pas facile à détecter) a augmenté l'échelle de masse de tous les super partenaires de sorte que l'échelle de masse entière est supérieure à la masse du quark supérieur. Et ce n'est pas aussi artificiel ou stupide qu'il y paraît - les mathématiques acceptent facilement cet effet. Il existe de nombreux exemples précis de la façon dont cela peut se produire - mais ils sont trop nombreux pour nous faire deviner lequel est le plus probable.
Dans ce monde probable, que je vous ai montré, j'ai fait plusieurs hypothèses arbitraires, mais elles se retrouvent assez souvent dans des exemples détaillés de rupture de supersymétrie étudiés par des physiciens théoriciens, dont moi-même:
• Les squarks et le gluino ont pris beaucoup de poids.
• Les sleptons et les sneytrinos ont reçu une masse importante, mais probablement un peu moins que les squarks et le gluino.
• Vin, zino, fotino et Higgino mélangés dans un ensemble de particules chargées électriquement, de chargeino et de particules électriquement neutres, neutres, dont certaines sont probablement un peu plus massives que W et Z.
• Cinq particules de Higgs ont une large gamme de masses, bien qu'au moins l'une d'entre elles soit assez légère.
Et ce n'est pas le seul schéma qui puisse se produire lorsque la supersymétrie est rompue! Il existe de nombreuses autres possibilités que j'appellerai des options de supersymétrie. Mais l'option que j'ai présentée est la plus populaire parmi les théoriciens et expérimentateurs, surtout en Europe (aux États-Unis, elle est moins populaire, je ne connais pas d'autres endroits). Il y a de bonnes raisons à cette popularité; il s'avère qu'il existe plusieurs façons indépendantes d'obtenir un circuit similaire à celui-ci. Cependant, la popularité engendre toujours des biais et nous devons considérer toutes les possibilités sans faire d'hypothèses sur ces arguments.
Mais si les super partenaires sont très massifs, ne peut-il pas arriver que nous ne puissions en produire aucun dans les décennies ou même les siècles à venir? Ne comptons-nous pas le
nombre d'anges qui peuvent tenir sur la pointe d'une aiguille ? De ce qui précède, il s'ensuit vraiment qu'un tel risque existe. Cependant, il y a un argument plus subtil en faveur de la présence de la supersymétrie, grâce auquel de nombreux physiciens espèrent que tous ces super partenaires sont à la portée du Grand collisionneur de hadrons. Cela découle du fait que la supersymétrie résoudrait le problème de la hiérarchie - l'un des plus grands mystères de notre monde.
Une propriété importante de la nature qui déconcerte les scientifiques, dont moi, est la propriété de la hiérarchie - l'énorme différence entre les propriétés d'une faible interaction nucléaire et de la gravité. Cette hiérarchie peut être décrite de plusieurs manières différentes, chacune reposant sur l'une de ses propriétés. Par exemple:
La masse du plus petit trou noir possible détermine ce que l'on appelle la
masse de Planck . Une façon plus précise de déterminer cette quantité consiste à combiner la constante gravitationnelle newtonienne G, la constante de Planck quantique [réduite] ħ et la vitesse de la lumière c: la masse de Planck est
Les masses de particules W et Z qui subissent une faible interaction nucléaire sont environ 10 000 000 000 000 000 fois inférieures à la masse de Planck. À cet égard, il existe une énorme hiérarchie d'échelles de masse entre la faible interaction nucléaire et la gravité.
Face à un nombre aussi important que 10 000 000 000 000 000, 10 quadrillions, les physiciens posent naturellement la question: d'où vient-elle? Et il a peut-être une explication assez intéressante.
Mais essayant de trouver cette explication dans les années 1970, les physiciens ont vu l'existence d'un problème grave, voire paradoxal, caché derrière ce nombre. Ce problème, désormais connu sous le nom de problème de hiérarchie, est associé à la taille du champ de Higgs non nul, qui à son tour détermine la masse des particules W et Z.
Le champ Higgs non nul a une taille d'environ 250 GeV, ce qui donne une masse de particules de W et Z égale à environ 100 GeV. Mais il s'avère que de la mécanique quantique, il s'ensuit qu'une telle taille du champ de Higgs est instable, c'est quelque chose comme (analogie incomplète!) Un vase en équilibre sur le bord de la table. D'après la physique que nous connaissons, la gigue quantique, il semble que pour le champ de Higgs, il devrait y avoir deux significations naturelles - par analogie avec deux endroits naturels pour un vase, soit fermement debout sur une table, soit allongé brisé sur le sol. Et il s'avère que le champ de Higgs semble être soit nul, soit de taille comparable à l'énergie de Planck, 10 000 000 000 000 000 de plus que la valeur observée. Pourquoi sa valeur est-elle obtenue non nulle et si minuscule, donc, à première vue, contre nature?
C'est le problème de la hiérarchie.
De nombreux physiciens théoriciens ont consacré une partie importante de leur carrière à tenter de résoudre ce problème. Certains ont fait valoir que nous avions besoin de nouvelles particules et de nouvelles interactions (leurs idées sont appelées supersymétrie, couleur technique, petits Higgs, etc.) Certains ont dit que notre compréhension de la gravité est erronée et qu'il existe de nouvelles dimensions inconnues («dimensions supplémentaires ») Les espaces que nous trouverons dans un futur proche lors d'expériences sur le LHC. D'autres disent qu'il n'y a rien à expliquer, car l'effet de sélection est en vigueur: l'Univers est beaucoup plus grand et plus diversifié que la partie que nous observons, et nous vivons dans une partie peu naturelle de l'Univers, principalement parce que sa partie restante est impropre à la vie - tout comme , malgré le fait que les planètes rocheuses soient rares, nous vivons sur l'une d'entre elles car seulement ici nous pourrions évoluer et survivre. Peut-être que ce problème a d'autres solutions, pas encore inventées.
Beaucoup de ces solutions - certainement toutes des solutions avec de nouvelles particules et interactions, et avec de nouvelles dimensions - prédisent que de nouveaux phénomènes peuvent être observés sur le LHC. Et progressivement, mais inexorablement, le LHC élimine ces possibilités l'une après l'autre. Jusqu'à présent, nous n'avons vu aucun phénomène inattendu. Mais nous ne sommes qu'au début du voyage.
Soit dit en passant, on peut souvent lire comment le problème de la hiérarchie est associé à la masse des particules de Higgs. Ce n'est pas le cas. Le problème est que la valeur du champ Higgs non nul est trop grande. À proprement parler, la mécanique quantique ne corrige pas la masse de Higgs, mais le carré de la masse de Higgs, modifiant l'énergie potentielle du champ de Higgs, et donc l'amplitude du champ, et la rend nulle ou trop grande. Et c'est un désastre, car les masses W et Z sont connues. La masse de Higgs est inconnue, elle pourrait donc être très grande - si les masses W et Z étaient également grandes. Le problème réside donc dans les masses de W et Z - et dans l'amplitude du champ de Higgs non nul, le problème d'un point de vue logique et scientifique.