Supersimetri dan masalah hierarki pengukur

Apa itu supersimetri?

Supersimetri adalah simetri ruang dan waktu yang hipotetis, dan unik. Selama beberapa dekade, ide ini telah sangat populer di kalangan fisikawan teoretis karena sejumlah alasan - itu adalah hit ketika saya masih mahasiswa, bahkan sebelum fisika menjadi topik yang keren, dan bahkan lebih awal.

Konsekuensi otomatis dari keberadaan simetri di alam adalah bahwa setiap jenis partikel akan memiliki satu atau lebih mitra super - jenis partikel lain yang memiliki sifat yang sama, tetapi berbeda dalam cara tertentu dan penting. Jika partikelnya adalah fermion, maka superpartnernya adalah boson. Jika partikel adalah boson, superpartnernya adalah fermion ( apa fermion dan boson ).

Di dunia kita, banyak fermion adalah semua partikel materi - dan banyak boson adalah pembawa interaksi. Tetapi tidak satu pun dari partikel-partikel ini memiliki sifat yang cocok untuk menjadi seseorang pasangan super. Karena itu, jika supersimetri adalah simetri alami, masing-masing jenis partikel elementer yang kita kenal harus memiliki pasangan, sampai kita ditemukan. Dan karena kita tahu lebih dari 20 partikel, kita punya banyak pekerjaan yang harus dilakukan!

Jadi apa simetri ini? Ini adalah simetri yang menghubungkan ruang dan waktu dengan arah ruang dan waktu mitra super - dengan kata lain, ruang-waktu memiliki dimensi tambahan tidak seperti yang kita ketahui. Dalam dimensi bosonik - kita terbiasa dengan mereka - Anda dapat bergerak sejauh yang Anda suka, misalnya, bergerak ke kiri langkah demi langkah. Dalam dimensi fermionik, semuanya diatur sehingga hanya satu langkah yang bisa diambil. Jika Anda mengambil satu langkah lagi, Anda tidak akan menemukan diri Anda. Anda hanya bisa kembali. Kedengarannya aneh, dan memang begitu; pada akhirnya, perlu untuk menentukan pengukuran seperti itu melalui matematika, dan tidak menggunakan kata-kata atau analogi.

Teori relativitas Einstein melakukan pekerjaan yang sangat baik untuk menggambarkan dan memprediksi banyak aspek dunia kita. Teorinya terdiri dari seperangkat persamaan yang mematuhi serangkaian simetri tertentu. Sebagai contoh, simetri translasi, atau simetri yang terkait dengan mentransfer percobaan dari satu tempat dalam ruang-waktu: eksperimen yang dilakukan hari ini di London akan memberikan hasil yang sama dengan eksperimen yang sama yang dilakukan beberapa bulan kemudian di Tokyo. Pada 1960-an, secara matematis terbukti bahwa supersimetri adalah satu-satunya simetri yang dapat ditambahkan ke simetri teori Einstein sehingga persamaan yang dihasilkan tidak mulai menyimpang dari sifat-sifat dunia nyata. Dalam pengertian ini, supersimetri berdiri terpisah.

Di mana partikel-partikel superpartner ini?

Jika superssimetri adalah simetri alam yang tepat, kita sudah akan menemukan banyak mitra super.

Sebelum melangkah lebih jauh, mari kita ingat partikel elementer apa yang diketahui oleh kita. Dalam artikel dengan referensi gbr. 1 dan 2 sangat berguna untuk menangkap partikel sekilas dan membandingkannya dengan gambar di bawah ini.


Fig. 1

Dalam gbr. 1, saya menunjukkan partikel apa yang akan ada di dunia jika Model Standar dilengkapi dengan supersimetri yang tepat.

• Untuk setiap fermion materi, misalnya, elektron atau kuark aneh, ada dua partikel baru - keduanya boson. Nama mereka sangat jelek, sebuah elektron dan kuadrat aneh, di mana "c" berarti supersimetri. Anda mungkin bertanya mengapa ada dua (dan mengapa hanya ada satu untuk setiap neutrino). Lihat gambar. 3 di bawah ini, dan semuanya akan menjadi jelas bagi Anda.
• Untuk boson pengangkut, ada mitra fermion. Foton memiliki fotino, gluon memiliki gluino, dll. Dengan boson W besar, hal-hal sedikit lebih rumit. Mereka memiliki anggur mitra [wino], serta mitra Higgs bernama H ⁺ (Perhatian! Partikel ini tidak boleh dikacaukan dengan partikel H ⁺ yang muncul dalam artikel yang menceritakan apa yang akan terjadi pada Model Standar jika bidang Higgs adalah Sayangnya, dalam fisika partikel dengan nama partikel ada masalah konstan - tidak ada cukup huruf). Semua partikel ini memiliki massa yang persis sama di dunia supersimetri imajiner ini.
• Dalam model ini, ada dua partikel Higgs, h ⁰ dan H ⁰ , dan masing-masing memiliki pasangan Higgsino. Satu tanpa massa, yang kedua besar. Mengapa dua? Ternyata di dunia supersimetrik, dua partikel diperlukan agar massa muncul di quark atas dan bawah dengan cara biasa. Argumen kedua adalah bahwa dua Higgsino diperlukan untuk konsistensi matematis.

Tapi, jelas, dunia idealnya supersimetris ini bukan milik kita. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, di dunia seperti itu, partikel dan mitra supernya:

• Demikian juga berinteraksi dengan partikel lain dan mitra super mereka.
• Memiliki berat yang persis sama.

Kita akan tahu lebih dari seratus tahun yang lalu tentang keberadaan partikel yang memiliki muatan listrik yang sama dan massa yang sama dengan elektron, tetapi mereka tidak akan menjadi elektron. Sebagai contoh, kita akan memiliki atom dengan elektron, atom dengan elektron, dan atom dengan campurannya. Jumlah jenis atom akan jauh lebih besar daripada yang diamati, dan karena boson dalam atom akan berperilaku sangat berbeda dari fermion, kimiawi atom baru akan sangat berbeda. Data dan pengalaman sehari-hari mengecualikan kemungkinan ini. Tidak ada elektron dengan massa elektron, dan itulah intinya. Jadi supersimetri yang tepat bukanlah teori alam yang benar, dan kami tahu ini bahkan sebelum kami menyusunnya.

Akhir supersimetri? Tidak secepat itu.

Terlepas dari bencana yang nyata, teori supersimetri asli memberi kita jalan keluar yang sederhana dan masuk akal dari situasi tersebut. Gagasan bahwa simetri dapat disembunyikan dari pandangan kita tersebar luas dalam fisika (fisikawan mengatakan patah secara spontan, tetapi ini bukan contoh intuitif yang sangat baik - ada simetri, hanya sulit untuk dikenali).


Fig. 2

Salah satu contohnya adalah simetri rotasi di Bumi. Hukum alam tidak tergantung pada bagaimana eksperimen akan berorientasi (lihat Gambar. 2). Ini benar, tetapi sulit untuk melihat di Bumi, di mana itu penting apakah percobaan Anda diputar ke kanan, atau terbalik, atau dimiringkan. Tetapi di ruang yang jauh, jauh dari planet, bulan dan bintang, hukum-hukum alam memiliki simetri rotasi. Eksperimen Anda akan memberikan jawaban yang sama terlepas dari orientasinya. Omong-omong, pengukuran cahaya yang dipancarkan oleh atom yang sangat jauh mengkonfirmasi teori ini. Bumi membingungkan kita. Itu membuat kita berpikir bahwa arah ke bawah berbeda dari arah ke atas atau ke kiri. Tetapi perbedaan nyata ini bukan properti dari hukum alam. Perbedaan muncul dari kedekatan Bumi menyembunyikan simetri rotasi dari pandangan kita.

Pertanyaannya adalah, bagaimana jika beberapa aspek dari dunia kita (tidak sekasar Bumi, tetapi beberapa yang tak terlihat, seperti bidang Higgs) bersembunyi dari mata kita supersimetri di seluruh Semesta? Lalu apa? Ternyata cukup mudah untuk mendapatkan dunia yang sama dengan dunia kita, tempat superpartner dari bagian-bagian terkenal ada, semakin sulit - terlalu berat untuk kita temukan dalam percobaan.


Fig. 3

Dunia realistis yang mungkin dari jenis ini - mungkin mirip dengan kita - ditunjukkan dalam gambar. 3. Anda melihat bahwa pelanggaran supersimetri (fakta bahwa ia bersembunyi dan tidak mudah dideteksi) meningkatkan skala massa semua mitra super sehingga seluruh skala massa lebih tinggi daripada massa kuark atas. Dan ini bukan sebagai buatan atau bodoh seperti yang terlihat - matematika siap menerima efek ini. Ada banyak contoh akurat tentang bagaimana ini bisa terjadi - tetapi ada terlalu banyak dari mereka untuk membuat kita menebak yang mana yang paling mungkin.

Di dunia yang memungkinkan ini, yang telah saya tunjukkan kepada Anda, saya membuat beberapa asumsi sewenang-wenang, tetapi mereka cukup sering ditemukan dalam contoh-contoh terperinci dari pemecahan supersimetri yang dipelajari oleh fisikawan teoretis, termasuk saya:

• Squarks dan gluino bertambah banyak.
• Slepton dan sneytrino menerima massa besar, tetapi mungkin sedikit kurang dari kuadrat dan gluino.
• Anggur, zino, fotino, dan Higgino dicampur menjadi satu set partikel bermuatan listrik, muatan, dan partikel yang netral secara listrik, netral, beberapa di antaranya mungkin sedikit lebih masif daripada W dan Z.
• Lima partikel Higgs memiliki rentang massa yang luas, meskipun setidaknya satu di antaranya cukup ringan.

Dan ini bukan satu-satunya skema yang dapat terjadi ketika supersimetri rusak! Ada banyak kemungkinan lain yang akan saya sebut opsi supersimetri. Tetapi opsi yang saya sajikan adalah yang paling populer di kalangan ahli teori dan eksperimen, terutama di Eropa (di AS itu kurang populer, saya tidak tahu tentang tempat lain). Ada alasan bagus untuk popularitas ini; ternyata ada beberapa cara independen untuk mendapatkan sirkuit yang mirip dengan ini. Namun, popularitas selalu menghasilkan bias, dan kita perlu mempertimbangkan semua kemungkinan tanpa membuat asumsi tentang argumen ini.

Tetapi jika mitra super sangat besar, tidak dapatkah terjadi bahwa kita tidak dapat menghasilkan satupun dari mereka dalam dekade mendatang atau bahkan berabad-abad? Apakah kita tidak menghitung jumlah malaikat yang dapat ditampung di ujung jarum ? Dari uraian di atas, sungguh mengikuti bahwa risiko semacam itu ada. Namun, ada argumen yang lebih halus yang mendukung keberadaan supersimetri, berkat banyak fisikawan yang berharap semua mitra super ini berada dalam jangkauan Large Hadron Collider. Ini mengikuti dari fakta bahwa supersimetri akan menyelesaikan masalah hierarki - salah satu misteri terbesar dunia kita.

Masalah hierarki

Sifat penting alam yang membingungkan para ilmuwan, termasuk saya, adalah sifat hierarki - perbedaan besar antara sifat interaksi nuklir dan gravitasi yang lemah. Hirarki ini dapat dijelaskan dalam beberapa cara berbeda, masing-masing bertumpu pada salah satu propertinya. Sebagai contoh:

Massa lubang hitam terkecil yang mungkin menentukan apa yang dikenal sebagai massa Planck . Cara yang lebih akurat untuk menentukan kuantitas ini adalah dengan menggabungkan konstanta gravitasi Newtonian G, kuantum [dikurangi] konstanta Planck ħ, dan kecepatan cahaya c: massa Planck adalah

$$

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

Massa partikel W dan Z yang mengalami interaksi nuklir lemah sekitar 10.000.000.000.000 kali lebih kecil dari massa Planck. Dalam hal ini, ada hierarki besar skala massa antara interaksi nuklir yang lemah dan gravitasi.

Dihadapkan pada jumlah yang sangat besar seperti 10.000.000.000.000.000.000, sepuluh kuadriliun, fisikawan mengajukan pertanyaan: dari mana asalnya? Dan dia mungkin punya penjelasan yang agak menarik.

Tetapi ketika mencoba menemukan penjelasan ini di tahun 1970-an, fisikawan melihat adanya masalah serius, bahkan sebuah paradoks, tersembunyi di balik angka ini. Masalah ini, sekarang dikenal sebagai masalah hierarki, dikaitkan dengan ukuran bidang Higgs bukan-nol, yang pada gilirannya menentukan massa partikel W dan Z.

Bidang Higgs yang tidak nol memiliki ukuran sekitar 250 GeV, ini memberikan massa partikel W dan Z sama dengan sekitar 100 GeV. Tetapi ternyata dari mekanika kuantum dapat disimpulkan bahwa ukuran medan Higgs tidak stabil, itu adalah sesuatu seperti (analogi tidak lengkap!) Vas yang menyeimbangkan di tepi meja. Dari fisika yang kita tahu, dari jitter kuantum, tampaknya untuk bidang Higgs harus ada dua makna alami - dengan analogi dengan dua tempat alami untuk vas, baik berdiri kokoh di atas meja atau tergeletak patah di lantai. Dan ternyata bidang Higgs tampaknya nol, atau ukurannya harus sebanding dengan energi Planck, 10.000.000.000.000.000.000 lebih dari nilai yang diamati. Mengapa nilainya diperoleh non-nol dan sangat kecil, sehingga, pada pandangan pertama, tidak alami?

Ini adalah masalah hierarki.

Banyak fisikawan teoretis yang mengabdikan sebagian besar karir mereka untuk menyelesaikan masalah ini. Beberapa berpendapat bahwa kita memerlukan partikel baru dan interaksi baru (ide-ide mereka disebut supersimetri, warna teknis, Higgs kecil, dll.) Beberapa mengatakan bahwa pemahaman kita tentang gravitasi adalah salah, dan bahwa ada dimensi baru yang tidak diketahui ("dimensi tambahan ») Ruang yang akan kami temukan dalam waktu dekat dalam percobaan di LHC. Yang lain mengatakan bahwa tidak ada yang perlu dijelaskan, karena efek seleksi berlaku: Alam Semesta jauh lebih besar dan lebih beragam daripada bagian yang kita amati, dan kita hidup di bagian Alam Semesta yang agak tidak wajar terutama karena bagian sisanya tidak cocok untuk kehidupan - seperti halnya , terlepas dari kenyataan bahwa planet berbatu jarang terjadi, kita hidup di salah satunya karena hanya di sini kita dapat berevolusi dan bertahan hidup. Mungkin masalah ini memiliki solusi lain yang belum ditemukan.

Banyak dari solusi ini - tentu saja semua solusi dengan partikel dan interaksi baru, dan dengan dimensi baru - memprediksi bahwa fenomena baru dapat dilihat pada LHC. Dan lambat laun, tetapi tak dapat dielakkan, LHC menghilangkan kemungkinan-kemungkinan ini satu demi satu. Sejauh ini, kami belum melihat fenomena yang tidak terduga. Tapi kita baru di awal perjalanan.

Ngomong-ngomong, orang sering bisa membaca bagaimana masalah hierarki dikaitkan dengan massa partikel Higgs. Ini tidak benar. Masalahnya adalah bahwa nilai bidang Higgs non-nol terlalu besar. Sebenarnya, mekanika kuantum tidak mengoreksi massa Higgs, tetapi kuadrat massa Higgs, mengubah energi potensial medan Higgs, dan karenanya besarnya medan, dan menjadikannya nol atau terlalu besar. Dan ini adalah bencana, karena massa W dan Z diketahui. Massa Higgs tidak diketahui, sehingga bisa sangat besar - jika massa W dan Z juga akan besar. Jadi masalahnya terletak pada massa W dan Z - dan pada besarnya bidang Higgs yang tidak nol, masalahnya dari sudut pandang logis dan ilmiah.