Ένα Higgs boson αποσυντίθεται σε αυτήν τη σύγκρουση που καταγράφηκε από τον ανιχνευτή ATLAS στις 18 Μαΐου 2012.
(Εικόνα: © ATLAS)
Πολ Μ. Σάτερ είναι αστροφυσικός στο SUNY Stony Brook και στο Ινστιτούτο Flatiron Ρωτήστε έναν Spaceman και Διαστημικό ραδιόφωνοκαι συγγραφέας του "Η θέση σας στο Σύμπαν."Ο Sutter συνέβαλε σε αυτό το άρθρο Οι ειδικές φωνές του Space.com: Op-Ed & Insights.
Οι συμμετρίες στη φύση ενισχύουν τη θεμελιώδη κατανόηση του Κόσμου, από την οικουμενικότητα της βαρύτητας έως την ενοποίηση του δυνάμεις της φύσης σε υψηλές ενέργειες.
Τη δεκαετία του 1970, οι φυσικοί ανακάλυψαν μια πιθανή συμμετρία που ενώνει όλα τα είδη σωματιδίων στο σύμπαν μας, από τα ηλεκτρόνια έως τα φωτόνια και όλα τα ενδιάμεσα. Αυτή η σύνδεση, γνωστή ως υπερσυμμετρία, βασίζεται στην περίεργη κβαντική ιδιότητα του σπιν και πιθανώς κατέχει το κλειδί για να ξεκλειδώσει μια νέα κατανόηση της φυσικής.
Οι συμμετρίες είναι δύναμη
Για αιώνες, οι συμμετρίες επέτρεψαν στους φυσικούς να βρουν υποκείμενες συνδέσεις και θεμελιώδεις σχέσεις σε όλο το σύμπαν. Πότε Ισαάκ Νιούτον πρώτα έκανε κλικ στην ιδέα ότι η βαρύτητα που τραβά ένα μήλο από ένα δέντρο είναι η ίδια ακριβώς δύναμη που κρατά το φεγγάρι σε τροχιά γύρω από τον ήλιο, ανακάλυψε μια συμμετρία: οι νόμοι της βαρύτητας είναι πραγματικά καθολικοί. Αυτή η διορατικότητα του επέτρεψε να κάνει ένα τεράστιο άλμα στην κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της φύσης.
Καθ 'όλη τη δεκαετία του 1800, οι φυσικοί σε όλο τον κόσμο προβλημάτισαν τις περίεργες ιδιότητες του ηλεκτρισμού, του μαγνητισμού και της ακτινοβολίας. Τι προκάλεσε το ρεύμα να ρέει κάτω από ένα καλώδιο; Πώς μπορεί ένας περιστρεφόμενος μαγνήτης να ωθήσει το ίδιο ρεύμα; Ήταν το φως ένα κύμα ή ένα σωματίδιο; Δεκαετίες δύσκολης συλλογιστικής κορυφώθηκαν με μια καθαρή μαθηματική ανακάλυψη από τον James Clerk Maxwell, ο οποίος ενοποίησε όλους αυτούς τους διακριτούς κλάδους έρευνας κάτω από ένα ενιαίο σύνολο απλών εξισώσεων: ηλεκτρομαγνητισμός.
Albert Einstein έκανε το σημάδι του επίσης, παίρνοντας τις ιδέες του Νεύτωνα ένα βήμα παραπέρα. Λαμβάνοντας ως μέγιστο ότι όλοι οι φυσικοί νόμοι πρέπει να είναι οι ίδιοι ανεξάρτητα από τη θέση ή την ταχύτητά σας, αποκάλυψε ειδική σχετικότητα; οι έννοιες του χρόνου και του χώρου έπρεπε να ξαναγραφούν για να διατηρηθεί αυτή η συμμετρία της φύσης. Και η προσθήκη βαρύτητας σε αυτό το μείγμα τον οδήγησε γενική σχετικότητα, η σύγχρονη κατανόηση αυτής της δύναμης.
Ακόμη και οι νόμοι διατήρησής μας - η διατήρηση της ενέργειας, η διατήρηση της ορμής και ούτω καθεξής - εξαρτώνται από τη συμμετρία. Το γεγονός ότι μπορείτε να εκτελέσετε ένα πείραμα μέρα με τη μέρα και να έχετε το ίδιο αποτέλεσμα αποκαλύπτει μια συμμετρία στο χρόνο, η οποία μέσω της μαθηματικής ιδιοφυΐας του Έμμι Νόθερ οδηγεί στο νόμο της συνομιλίας της ενέργειας. Και αν συνεχίσετε το πείραμά σας και το μετακινήσετε σε όλη την αίθουσα και εξακολουθείτε να έχετε το ίδιο αποτέλεσμα, μόλις ανακαλύψατε μια συμμετρία στον χώρο και την αντίστοιχη διατήρηση της ορμής.
Ένας περιστρεφόμενος καθρέφτης
Στον μακροσκοπικό κόσμο, αυτό συνοψίζει σχεδόν όλες τις συμμετρίες που έχουμε συναντήσει στη φύση. Αλλά ο υποατομικός κόσμος είναι μια διαφορετική ιστορία. Τα θεμελιώδη σωματίδια του το σύμπαν μας έχουν μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα γνωστή ως "περιστροφή". Ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά σε πειράματα που πυροβόλησαν άτομα μέσω ποικίλου μαγνητικού πεδίου, προκαλώντας την εκτροπή των διαδρομών τους με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που μια περιστρεφόμενη, ηλεκτρικά φορτισμένη μεταλλική μπάλα.
Αλλά τα υποατομικά σωματίδια δεν περιστρέφονται, ηλεκτρικά φορτισμένες μεταλλικές σφαίρες. ενεργούν σαν αυτούς σε ορισμένα πειράματα. Και σε αντίθεση με τα κανονικά τους ανάλογα, τα υποατομικά σωματίδια δεν μπορούν να έχουν οποιαδήποτε περιστροφή που επιθυμούν. Αντ 'αυτού, κάθε είδος σωματιδίων έχει τη δική του μοναδική ποσότητα περιστροφής.
Για διάφορους σκοτεινούς μαθηματικούς λόγους, ορισμένα σωματίδια όπως το ηλεκτρόνιο έχουν μια περιστροφή ½, ενώ άλλα σωματίδια όπως το φωτόνιο παίρνουν μια περιστροφή 1. Εάν αναρωτιέστε πώς ένα φωτονίο θα μπορούσε πιθανώς να συμπεριφέρεται σαν μια περιστρεφόμενη φορτισμένη μεταλλική μπάλα, τότε μην το ιδρώνεις πάρα πολύ. είστε ελεύθεροι να σκεφτείτε το "περιστροφή" ως μια ακόμη ιδιότητα υποατομικών σωματιδίων που πρέπει να παρακολουθούμε, όπως η μάζα και το φορτίο τους. Και ορισμένα σωματίδια έχουν περισσότερο από αυτήν την ιδιότητα, και μερικά έχουν λιγότερα.
Σε γενικές γραμμές, υπάρχουν δύο μεγάλες οικογένειες σωματιδίων: αυτά με μισό ακέραιο (1/2, 3/2, 5/2, κ.λπ.) περιστροφή, και εκείνα με ακέραιο ακέραιο (0, 1, 2, κ.λπ. .) περιστροφή. Τα halfsies ονομάζονται "fermions" και αποτελούνται από τα δομικά στοιχεία του κόσμου μας: ηλεκτρόνια, κουάρκ, νετρίνα και ούτω καθεξής. Τα wholsies ονομάζονται «μποζόνια» και είναι οι φορείς των δυνάμεων της φύσης: φωτόνια, γλουόνια και τα υπόλοιπα.
Με την πρώτη ματιά, αυτές οι δύο οικογένειες σωματιδίων δεν θα μπορούσαν να είναι διαφορετικές.
Συμφωνία των σπαρτιδίων
Στη δεκαετία του 1970, θεωρητικοί χορδών άρχισε να κοιτάζει κριτικά αυτήν την ιδιότητα της περιστροφής και άρχισε να αναρωτιέται αν μπορεί να υπάρχει συμμετρία της φύσης εκεί. Η ιδέα επεκτάθηκε γρήγορα έξω από την κοινότητα των χορδών και έγινε ενεργός τομέας έρευνας σε όλη τη φυσική των σωματιδίων. Εάν είναι αλήθεια, αυτή η «υπερσυμμετρία» θα ενώνει αυτές τις δύο φαινομενικά ανόμοιες οικογένειες σωματιδίων. Αλλά πώς θα μοιάζει αυτή η υπερσυμμετρία;
Το βασικό επίκεντρο είναι ότι, στην υπερσυμμετρία, κάθε φερμιονίο θα έχει ένα "σωματίδιο superpartner" (ή "sparticle" για συντομία - και τα ονόματα θα επιδεινωθούν μόνο) στον κόσμο του μποζόνιου, και αντίστροφα, με την ίδια ακριβώς μάζα και φόρτιση αλλά διαφορετική περιστροφή.
Αλλά αν πάμε να ψάχνουμε για τα σωματίδια, δεν θα βρούμε κανένα. Για παράδειγμα, το σωματίδιο του ηλεκτρονίου (το "selectron") θα πρέπει να έχει την ίδια μάζα και φόρτιση με το ηλεκτρόνιο, αλλά μια περιστροφή του 1.
Αυτό το σωματίδιο δεν υπάρχει.
Έτσι, κατά κάποιον τρόπο, αυτή η συμμετρία πρέπει να σπάσει στο σύμπαν μας, ανεβάζοντας τις μάζες των σωματιδίων έξω από το εύρος των σωματιδίων μας. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τρόποι επίτευξης της υπερσυμμετρίας, όλοι προβλέπουν διαφορετικές μάζες για τα σελεκτρόνια, τα κουάρκ σταματήματος, τα sneutrinos και όλους τους άλλους.
Μέχρι σήμερα, δεν έχουν βρεθεί στοιχεία για υπερσυμμετρία και πειράματα στο Μεγάλου Αδρανίου έχουν αποκλείσει τα απλούστερα υπερσυμμετρικά μοντέλα. Αν και δεν είναι το τελευταίο καρφί στο φέρετρο, οι θεωρητικοί ξύβουν τα κεφάλια τους, αναρωτιούνται αν η υπερσυμμετρία δεν βρίσκεται πραγματικά στη φύση και τι πρέπει να σκεφτούμε στη συνέχεια εάν δεν μπορούμε να βρούμε τίποτα.
- Το Σύμπαν: Big Bang έως τώρα σε 10 εύκολα βήματα
- Οι θεωρητικοί του «Supergravity» κερδίζουν 3 εκατομμύρια δολάρια Βραβείο Πρωτοβουλίας Φυσικής
- Μυστηριώδη σωματίδια που εκτοξεύουν από την Ανταρκτική αψηφούν τη φυσική
Μάθετε περισσότερα ακούγοντας το επεισόδιο "Αξίζει η θεωρία χορδών; (Μέρος 4: Αυτό που χρειαζόμαστε είναι ένας υπερήρωας)" στο podcast Ask A Spaceman, διαθέσιμο στις iTunesκαι στον Ιστό στο http://www.askaspaceman.com. Χάρη στους John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. για τις ερωτήσεις που οδήγησαν σε αυτό το κομμάτι! Κάντε τη δική σας ερώτηση στο Twitter χρησιμοποιώντας το #AskASpaceman ή ακολουθώντας τον Paul @PaulMattSutter και facebook.com/PaulMattSutter. Ακολουθήστε μας στο Twitter @Spacedotcom ή Facebook.
