28 апреля - 43672616965 - Медиаплатформа МирТесен. В новостях можно иногда встретить утверждение, что отрицательные данные LHC ставят крест на идее суперсимметрии. Теория суперсимметрии обобщает часто встречающееся в природе явление симметрии на уровень элементарных частиц и утверждает, что существует некоторое преобразование. В чем заключается «кризис суперсимметрии», как «поделить» физику высоких энергий и для чего нужно строить у себя установки класса megascience, в интервью.
«Обнаруженные частицы Хиггса подтверждают теорию суперсимметрии»
Будучи частицей, которая дает массу другим частицам, Хиггс должен быть очень тяжелым, поскольку взаимодействует с огромным числом частиц. Частицы-партнеры, предсказываемые суперсимметрией, могли бы поправить это. Если они существуют, эти дополнительные частицы отменяли бы вклад партнеров в массу Хиггса. Потому бозон Хиггса был бы легким, как мы его и наблюдали.
Это естественное объяснение куда более желательно, чем внесение корректировок в существующую Стандартную модель. Когда вы вынуждены править теории, объясняющие то, что вы в действительности наблюдаете, это знак того, что «вы на самом деле не знаете, что делаете», говорит Линкольн, а эта теория, по всей видимости, неправильная или неполная. Самые легкие суперсимметричные частицы, предсказываемые в рамках теории, могут быть неуловимыми частицами темной материи, на которые охотятся физики десятилетиями.
Суперсимметрия предсказывает, что у этой частицы будет нейтральный заряд и она едва ли будет взаимодействовать с любой другой частицей. Примерно такое описание физики ждут от частиц темной материи. Темная материя невидима, поэтому частицы, из которых она состоит, должны быть нейтральными, иначе будут рассеивать свет и станут видимыми.
Эти частицы также ни с чем не взаимодействуют, иначе мы бы их уже обнаружили. Суперсимметрия указала бы в направлении универсальной теории в физике Главная цель физики — постоянно конденсировать наше понимание вселенной все более простыми терминами. К примеру, теперь мы понимаем, что гравитация, которая привела к падению яблока на голову Ньютона, — это та же гравитация, которая управляет планетами и звездами.
И теперь мы знаем, что законы электричества и законы магнетизма — просто два закона, которые определяют единую фундаментальную силу электромагнетизма. Если суперсимметричные частицы включены в Стандартную модель, они бы тесно связали три из четырех фундаментальных сил, которые описываются Стандартной моделью: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие. Суперсимметрия будет означать, что все эти три силы будут обладать одной и той же силой на очень высоких энергетических уровнях.
Многомерное пространство Калаби-Яу В частности, суперсимметрия может укрепить теорию струн.
В блогпосте о японских испытаниях Фальковский шутит, что пора уже искать работу в неврологии. Я просто не могу придумать ничего лучше». Суперсимметрия доминировала над физикой частиц десятилетиями, и исключила почти все альтернативные физические теории, выходившие за рамки СМ. Теория привлекательна по трём причинам. Она предсказывает существование частиц, из которых может состоять «тёмная материя», невидимая субстанция, пронизывающая окраины галактик. Она объединяет три фундаментальных взаимодействия при высоких энергиях.
И, самое большое преимущество,- она решает загадку физики под названием «проблема калибровочной иерархии». Загадка связана с несоразмерностью гравитации и слабым ядерным взаимодействием, которое в 100 миллионов триллионов триллионов 1032 раз сильнее, и действует на гораздо меньших масштабах, управляя взаимодействием внутри атомного ядра. Частицы, переносящие слабое взаимодействие, W и Z-бозоны, получают массу из хиггсовского поля, поля энергии, пропитывающего пространство. Но непонятно, почему энергия поля Хиггса, и соответственно массы W и Z-бозонов, такие небольшие. Поскольку другие частицы связаны с полем Хиггса, их энергии должны влиться в него в момент квантовых флюктуаций. Это должно сильно поднять энергию хиггсовского поля, делая W и Z-бозоны более массивными и приводя к тому, что слабое взаимодействие ослабеет до уровня гравитации. Суперсимметрия решает проблему иерархии, предполагая наличие суперпартнёра-близнеца для каждой элементарной частицы.
Чем большую массу имел бозон Хиггса в каждой конкретной Вселенной, тем раньше она разрушилась, а наша современная Вселенная может быть одной из Вселенных с самым легким бозонам Хиггса, которым удалось пережить катаклизм и не разрушиться при этом. Кроме этого откровенно фантастического сценария, новая теория включает в себя две новые частицы, которые идут в дополнение к известным частицам, определенным Стандартной Моделью. Существование этих двух частиц позволяет объяснить озадачивающие ученых свойства симметрии сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки в протоны и нейтроны, а протоны и нейтроны — в ядра атомов. Современная теория сильных взаимодействий, известная как квантовая хромодинамика, допускает наличие некоторых разногласий в симметрии фундаментальных сильных взаимодействий, так называемой CP-симметрии, хотя эти разногласия пока еще не наблюдались экспериментальным путем.
Существование одной из частиц новой теории позволяет решить проблему CP-симметрии, убирая разногласия и делая сильные взаимодействия полностью симметричными. Более того, эта же дополнительная частица может являться частицей темной материи, загадочной субстанции, на долю которой приходится подавляющая часть материи нашей Вселенной.
Во-первых, квантовая механика является нерелятивистской теорией, то есть она верна для малых скоростей по сравнению со скоростью света. Во-вторых, квантовая механика не описывает процессы рождения и уничтожения частиц, которые происходят при взаимодействии частиц высоких энергий. Релятивистским обобщением согласующимся с идеями специальной теории относительности квантовой механики является квантовая теория поля.
Квантовая теория поля В квантовополевых теориях частицы материи являются «квантами» возмущениями соответствующих полей. Взаимодействие между частицами переносится специальными полями. Предполагается, что частицы материи в процессе взаимодействия испускают и поглощают другие частицы — кванты поля-переносчика. Первый успешный пример квантовой теории поля — квантовая электродинамика — был построен в работах Фейнмана, Швингера и Томонаги в середине двадцатого века, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1965 году. Квантовая электродинамика рассматривает взаимодействие между заряженными частицами например, электронами и позитронами , возникающее вследствие обмена фотонами — квантами электромагнитного поля.
Вплоть до настоящего времени квантовая электродинамика остается самой точной физической теорией. Симметрия в физике элементарных частиц Под симметрией физики понимают неизменность чего-либо при выполнении определенных преобразований. При этом большую роль играет симметрия законов, или уравнений. Дмитрий Васильевич Волков 1925-1996 : историческая справка Д. Волков — выдающийся физик-теоретик, академик Национальной академии наук Украины, крупный специалист в области элементарных частиц, квантовой электродинамики, ядерной физики, квантовой теории поля, физики твердого тела.
В этом году ему должно было исполниться 80 лет. Двадцатипятилетним молодым человеком приехал в Харьков Дмитрий Волков и на протяжении 45 лет его деятельность была связана с этим городом. В 1951 году он приехал сюда с группой студентов из разных вузов страны он — из Ленинградского университета по приказу Министерства высшего образования для продолжения учебы в Харьковском университете на вновь организованном отделении ядерной физики при физико-математическом факультете. Родился Д. Волков 3 июля 1925 года в Ленинграде в семье рабочего-слесаря и учительницы.
В семье было двое сыновей: старший Левушка и младший Митенька, названные так в честь героев произведений Л. Толстого, большой поклонницей которого была мать, Ольга Ивановна. Она занималась духовным воспитанием детей, прививая им любовь к литературе, музыке. Отец, Василий Николаевич, старался закалить их физически, занимаясь с ними спортом, но он всячески поощрял стремление мальчиков и к знаниям. Великая Отечественная война 1941-1945 гг.
Дмитрий окончил восьмой класс средней школы, отец, не подлежавший мобилизации по возрасту, ушел добровольцем в народное ополчение и в феврале 1942 года пропал без вести. Старший брат Лева, став курсантом Ленинградского воинского подразделения, в декабре 1941 года был ранен и умер. Но горе, обрушившееся на семью Волковых, не сломило их. Участвовал в боях на Карельском и на 1-м Дальневосточном фронтах в качестве связиста, радиста, артиллерийского разведчика. За проявленное в боях мужество награжден несколькими медалями, в 1965 г.
После войны Дмитрий Волков возвращается в родной Ленинград с твердым намерением учиться. В течение года он экстерном сдает экзамены за 9-й и 10-й классы и в 1947 году поступает на физический факультет Ленинградского университета. В процессе учебы профессорско-преподавательский коллектив не только дал ему знания и сформировал интерес к профессии, но и привил глубокое уважение и любовь к науке. И эту любовь Волков пронес через всю жизнь. В Харьковском университете ему тоже повезло.
Здесь читали лекции известные всему научному миру физики, академики А. Вальтер, К. Синельников, А. Ахиезер — ведущие ученые УФТИ. В 1956 году по окончании аспирантуры Д.
Здесь он сложился и вырос как ученый, защитив кандидатскую 1958 г. Научные интересы Дмитрия Васильевича охватывают широкий круг исследований в теоретической физике. Довольно рано сформировался его научный стиль, отличающийся глубоким и оригинальным подходом к исследуемым вопросам. Уже в первых его работах проявилась нестандартность подхода к фундаментальным проблемам квантовой теории поля. Международное признание ученый получил сразу — открытая им парастатистика, названная впоследствии статистикой Грина-Волкова и обобщая известные статистики Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака, сыграла важную роль в развитии представлений о кварковой структуре адронов.
В 1960 году Д. Волков, молодой еще физик, в составе советской делегации впервые принимал участие в конгрессе по физике элементарных частиц в США. Обмениваясь в аэропорту с американскими коллегами новостями науки, глава делегации М. Марков спросил: «Что у вас нового? Ли ответил: «Это у вас новости!
Результативными были и последующие годы. Мировую известность Волкову принесло открытие нового типа симметрии — суперсимметрии — и построение на ее основе теории супергравитации, обобщающей теорию тяготения Эйнштейна. Концепция суперсимметрии определила основное направление развития физики элементарных частиц на десятилетия. Волковское открытие в области суперсимметрии цитировалось как основополагающее в трудах многих крупных международных конференций. В 1962 г.
Волков открыл совместно с В. Грибовым новое явление, получившее название «заговор полюсов», что стимулировало целый поток теоретических и экспериментальных работ в области физики высоких энергий. Дмитрий Васильевич был не только талантливым ученым, но и удивительно трудолюбивым человеком, он работал много и упорно, предъявляя высокие требования к качеству выполняемой работы, ее логическому научному завершению. По воспоминаниям коллег, он был открытым человеком. Обсуждать с Волковым ту или иную проблему было большим удовольствием.
Он быстро вникал в суть дела и высказывал, как правило, оригинальные соображения и идеи. Ему был дан редкий дар видеть важный физический результат за сложными математическими выкладками, используя в расчетах современную математику. Дмитрий Васильевич не останавливался в поиске, для исследований он выбирал наиболее сложные научные проблемы, выдвигая новые идеи и фундаментальные подходы. Он постоянно следил за достижениями в различных областях физики и математики, старался расширять круг своих интересов. Этому способствовали научные командировки в международные центры Европы и Америки и общение с выдающимися учеными.
Гляжусь, как в зеркало: есть ли шансы у суперсимметрии?
Теория суперсимметрии возникла в 1970-х годах как способ исправить существенные недостатки Стандартной модели физики высоких энергий. Существует много споров об этой теории, но суперсимметрия является одним из наиболее привлекательно возможных расширений Стандартной модели и ведущим претендентом в. Суперсимме́трия, или симме́трия Фе́рми — Бо́зе, — гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает. му же, в этом случае у нас исчезают расходимости в первом порядке теории возмущений, что тоже является одним из плюсов суперсимметрии. Иконка канала Математические теоремы: между теорией и практикой.
Физики открыли пятую силу природы. Главное об эксперименте с мюоном g-2
| Физики открыли пятую силу природы. Главное об эксперименте с мюоном g-2 | Несмотря на кажущуюся катастрофу, изначальная теория суперсимметрии даёт нам простой и правдоподобный выход из ситуации. |
| Экзамены суперсимметричной модели вселенной 1978 - Помощь в подготовке к экзаменам и поступлению | Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. |
| Эксперимент на Большом адронном коллайдере опроверг современную теорию мироздания | му же, в этом случае у нас исчезают расходимости в первом порядке теории возмущений, что тоже является одним из плюсов суперсимметрии. |
| Нобелевская премия по физике 2008 года. Нобелевская асимметрия | Наука и жизнь | Это позволяет связать суперсимметрии и деформации пространственно-временной метрики, которые, согласно общей теории относительности, и есть причина тяготения. |
| Физики в Копенгагене подвели итоги 15-летнего пари о теории суперсимметрии – Новости науки | Чем больше мы исследуем теорию суперсимметрии, тем неотразимее она становится», — пишет специалист по физике элементарных частиц Дэн Хупер. |
Супер ассиметричная модель вселенной попович
Наличие симметрий приводит к законам сохранения — энергии, электрического заряда и других. Но в 1973 году физики Юлиус Весс и Бруно Зумино предложили принципиально новый тип симметрии — между фермионами и фотонами, что частицы одного вида могут превращаться в частицы другого. Это симметрия несколько другого уровня, которая по сути, позволяет излучению превращаться в вещество, и наоборот. Поскольку эту идею нельзя было приписать к стандартным понятиям симметрии, она получила претенциозное название «суперсимметрия». Рука об руку Суперсимметрия постулирует, что каждой частице Стандартной модели соответствует ее «суперпартнер» - фермион, соответствующий бозону, или наоборот. Партнеры фермионов — сфермионы: скварк для кварка, сэлектрон для электрона и так далее.
Партнер фотона был назван фотино, глюона — глюино, а для бозона Хиггса — хиггсино. Кроме спина, суперпартнеры обладают абсолютно одинаковыми свойствами — массой, зарядом и другими. Достижения суперсимметрии Суперсимметрия объясняет некоторые важные проблемы Стандартной модели. Мы знаем, что взаимодействия между частицами имеют разную интенсивность. Самым «сильным» действительно является сильное взаимодействие, затем идут электромагнитное и слабое.
Это был момент «великого объединения». Стандартная модель такого поведения не предсказывает, а вот суперсимметрия в силах изменить эволюцию интенсивности взаимодействий. Статья по теме Морская болезнь: что такое гравитационные волны и как их обнаружили Другое сообщество ученых бьется над так называемой проблемой иерархии: массы переносчиков слабого взаимодействия, W и Z-бозонов, в 10,000,000,000,000,000 массы Планка — масштаба энергий, на котором гравитационное взаимодействие становится интенсивным. Откуда берется такая разница, неизвестно. И на самом деле, без «тонкой подстройки» параметров Стандартной модели мы должны наблюдать массы W и Z-бозонов гораздо больше, чем показывают эксперименты.
В суперсимметрии, однако, естественным образом переносчики слабого взаимодействия оказываются именно тех масс, которые измеряются. Также среди суперпартнеров физикам очень нравится искать кандидатов на роль частиц темной материи.
Он постоянно следил за достижениями в различных областях физики и математики, старался расширять круг своих интересов.
Этому способствовали научные командировки в международные центры Европы и Америки и общение с выдающимися учеными. Ездил он туда регулярно — с 1958 г. Каждая поездка завершалась подробным отчетом, где давался глубокий анализ не только основных теоретических исследований, проводимых в ЦЕРНе, но и организации научной работы; отмечались ее преимущества, давались конкретные рекомендации.
В 1994 г. Волков был приглашен на Международную конференцию авторов оригинальных идей и открытий XX века в физике элементарных частиц в Эриче Италия , где выступил с докладом «Supergravity before 1976». Последний раз он докладывал на конференции «Суперсимметрия-95» SUSY-95 во Франции, где выдвинул новую концепцию обобщенного принципа действия для суперструн и супермембран.
К Дмитрию Васильевичу всегда тянулась молодежь, потому что он щедро делился идеями и открытиями и искренне радовался успехам и достижениям своих учеников и коллег. Созданная им в Харькове научная школа пользуется заслуженной мировой известностью. На его научных идеях и под его непосредственным руководством подготовлено около 20 кандидатских и докторских диссертаций.
Много сил и энергии Д. Волков отдавал научно-организационной работе. Он входил в состав ряда проблемных научных Советов, редколлегий, научных журналов и сборников.
Достижения Д. Волкова неоднократно отмечались орденами и медалями. Ему было присвоено звание заслуженного деятеля науки Украины.
В 1997 г. Интересы Дмитрия Васильевича далеко не исчерпывались одной наукой. Он увлекался индийской философией, любил классическую литературу, занимался спортом, прекрасно плавал, был хорошим лыжником.
Он любил семью, своих друзей, он горячо любил жизнь! В поселке Пятихатки есть улицы и проспекты, названные в честь известных ученых. В физике симметрии играют двоякую роль.
Во-первых, каждому типу симметрии физической системы соответствует сохраняющаяся величина. Во-вторых, от новых физических теорий можно требовать выполнения различных симметрий. Чем больше таких требований — тем меньше произвол в построении теории.
Примером физической теории, обладающей симметрией, является обычная квантовая механика, оперирующая волновыми функциями. Волновая функция частицы — это комплексная функция, например, пространственных координат грубо говоря, комплексное число в каждой точке. Ее можно рассчитать из уравнения Шрёдингера.
Физический смысл имеет не сама волновая функция, а квадрат ее модуля, который показывает вероятность нахождения частицы в каком-либо месте. Если все волновые функции умножить на одно и то же комплексное число с модулем 1, никакие предсказания теории не изменятся. Действительно, модуль произведения комплексных чисел равен произведению модулей, и от такого домножения никакие вероятности не изменяются.
Это пример так называемой глобальной симметрии глобальной — потому, что волновая функция умножалась в разных точках на одно и то же число. Суть этой симметрии заключается в том, что теория не изменяется относительно некоторого класса преобразований в нашем случае эти преобразования — умножение на произвольное комплексное число с модулем, равным 1. Квантовая электродинамика обладает симметрией относительно преобразований, называемых калибровочными.
Эти преобразования заключаются в домножении поля электронов на комплексное число с модулем 1 правда, чтобы теория не изменялась, одновременно с преобразованием поля электронов нужно выполнить и некоторые другие преобразования электромагнитного поля. В отличие от рассмотренного выше случая квантовой механики, это число уже может быть в каждой точке различным локальная симметрия. Интересно отметить следующий момент.
Как было сказано выше, с каждой симметрией связана сохраняющаяся величина. В случае калибровочных преобразований квантовой электродинамики такой сохраняющейся величиной является обычный электрический заряд. В пятидесятых годах Янг и Миллс построили модель, уравнения которой не менялись под действием более сложных локальных калибровочных преобразований.
Сначала интерес был исключительно математическим. Однако потом на основе теории Янга — Миллса были созданы важнейшие теории взаимодействия элементарных частиц — теория электрослабых взаимодействий и квантовая хромодинамика. Эти теории, обладающие калибровочной симметрией, получили экспериментальное подтверждение.
Стандартная модель фундаментальных взаимодействий В шестидесятых годах удалось объединить электромагнетизм и слабые взаимодействия. Салам, Глэшоу и Вайнберг построили теорию электрослабых взаимодействий. В 1979 году им была присуждена Нобелевская премия.
Новая теория предсказала существование новых частиц, так называемых W- и Z-бозонов. Они отвечают за «перенос» слабого взаимодействия. Эти бозоны были открыты на протонном суперсинхротроне в 1983 году.
Казалось бы, каким образом можно объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, если у первых радиус взаимодействия бесконечен действительно, мы видим свет — электромагнитное излучение — от удаленных галактик и других астрономических объектов , а у вторых он не превышает размеры атомного ядра? Оказывается, такая «несимметричность» связана с тем, что масса фотонов равна нулю, а масса W- и Z-бозонов очень большая, они примерно в 100 раз тяжелее протона. Нарушение так называемой электрослабой симметрии является важным свойством теории электрослабых взаимодействий этой симметрией обладают уравнения теории.
В результате нарушения W- и Z-бозоны и некоторые другие частицы например, электроны приобретают массы. В рамках модели Янга — Миллса калибровочные бозоны нельзя сделать массивными, не разрушив калибровочную симметрию. Для нарушения электрослабой симметрии был придуман механизм Хиггса.
Основная идея заключается в том, что все пространство пронизывает специальное хиггсовское поле, которое взаимодействует с остальными полями и нарушает симметрию, хотя уравнения теории остаются симметричными. Возмущения хиггсовского поля должны проявляться на эксперименте как новые частицы — хиггсовские бозоны. Бозон Хиггса — очень тяжелая частица, тяжелее W- и Z-бозонов.
Поэтому она пока не открыта экспериментально. Теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, тоже основана на уравнениях Янга — Миллса. Квантовая хромодинамика говорит, что многие элементарные частицы — мезоны и барионы например, протон — состоят из кварков.
Однако изолированные кварки никогда не наблюдались это явление называется конфайнментом. Из-за сложности уравнений квантовой хромодинамики конфайнмент до сих пор не выведен из них напрямую.
Алексей Воробьев: В ходе эксперимента сталкиваются два протона больших энергий. В результате рождается много разных частиц. Среди них рождаются B-мезоны. И специфика высоких энергий такова, что их рождается достаточно много. Живут они очень мало —10-12 секунд, после тут же распадаются. М-мезон — это аналог электрона, но тяжелее его в 200 раз.
Суперсимметрия же объединяет в единые мультиплеты бозоны вместе с фермионами. Согласно теории суперструн, у всех известных фермионов должны существовать предполагаемые суперпартнеры — бозоны, а у бозонов — фермионы. Поскольку в природе не наблюдается вырождение по массам у фермионов и бозонов, суперсимметрия с необходимостью должна быть нарушена, и поиск адекватных механизмов такого нарушения является актуальной задачей. Те энергии, которые сейчас достижимы на ускорителях, считаются с точки зрения теории суперструн совсем малыми. К сожалению, в ближайшем будущем суперсимметрия, скорее всего, не может быть подтверждена экспериментально», — пояснил ученый. По некоторым теоретическим предсказаниям, суперпартнеры могут иметь массы, намного превышающие массы уже открытых частиц, и, чтобы обнаружить их на ускорителях, понадобится энергия, которая недостижима на современных машинах и, возможно, даже на ускорителях следующего поколения. Однако суперсимметрия имеет глубокие теоретические следствия, делающие ее незаменимой концепцией.
В частности, именно она обеспечивает самосогласованность теории суперструн. Все эти следствия и их непротиворечивость необходимо проверять теоретически. Подтверждение гипотезы, что суперструны описывают все фундаментальные взаимодействия, — кропотливая и долговременная работа», — подчеркнул Евгений Иванов. Суперсимметрия в теории реализуется в суперпространстве, в котором к пространству Минковского добавлены дополнительные фермионные измерения, так называемые грассмановы координаты. Грассмановы координаты не имеют физической интерпретации; каждая из них, возведенная в квадрат, дает ноль. Таким образом, суперпространство является умозрительной вспомогательной структурой, которая позволяет максимально просто и ясно реализовать на ней суперсимметрию.
Данные, полученные на БАК, поставили под сомнение теорию суперсимметрии
Суперсимметрия является одним из основных кандидатов на роль новой теории в физике элементарных частиц за рамками Стандартной модели. К примеру, ученым очень хотелось, но не удалось найти подтверждения суперсимметрии — теории о том, что у каждой элементарной частицы есть гораздо более тяжелый «суперпартнер». Теория суперсимметрии возникла в 1970-х годах как способ исправить существенные недостатки Стандартной модели физики высоких энергий. Знаменитая теория Суперсимметрии, объясняющая основы мироздания, не нашла подтверждения в ходе исследований в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные.
Поиски суперсимметрии на коллайдере принесли новую интригу
К чему приведут новые открытия? Частицы, выходящие за рамки Стандартной модели, могут помочь объяснить загадочные явления, как природа темной материи, загадочной и широко распространенной субстанции, о существовании которой физики знают, но её еще предстоит обнаружить. А что такое мюоны? Вся наша Вселенная построена из частиц размером меньше атома. Некоторые из этих частиц состоят из еще более мелких частиц, другие уже не дробятся. Это и есть элементарные частицы.
Мюоны как раз и являются такими элементарными частицами: они похожи на электроны, только в 200 раз тяжелее. В ходе эксперимента Muon g-2 частицы разгонялись по 14-метровому кольцу в циркулярном коллайдере под воздействием мощного магнитного поля. Согласно известным законам физики, это должно было приводить к колебанию мюонов с определенной частотой. Однако физики обнаружили, что частота их колебаний оказалась выше предполагаемой. По их мнению, это может свидетельствовать о действии силы, ранее не известной науке.
Никто не знает точно, что еще, кроме воздействия на мюон, подвластно этой новой силе. Иными словами, поведение мюонов выходило за рамки того, что знают ученые. Физики задумались, а не причастна ли тут какая-то еще неизвестная, пятая сила? О какой пятой силе идет речь? Вся наша жизнь подчинена законам физики.
Все эти силы, с которыми мы имеем дело каждый день, можно свести к четырем фундаментальным категориям взаимодействий: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное. Четыре фундаментальных силы определяют взаимодействие всех объектов и частиц во Вселенной. К примеру, сила тяжести, она же гравитация, заставляет объекты падать на землю и не позволяет отрываться от нее без приложения другой силы. Но, как утверждает международная команда физиков, в ходе исследований в рамках эксперимента Muon g-2, проводившихся в лаборатории городка Батавия рядом с Чикаго, они, возможно, обнаружили новую, пятую силу природы.
LHC себя ещё покажет. Дейвид Эванс из Бирмингемского университета, работающий в CERN, где коллайдер, говорил, что многие вообще не верили в сам принцип действия этого чуда физики Всё путём..
Электромагнетизм объясняет большинство явлений, с которыми сталкивается человек в повседневной жизни. Два других взаимодействия короткодействующие. Они проявляются только на масштабах атомного ядра объясняют альфа- и бета-распад и становятся определяющими на более мелких масштабах. В микромире ключевую роль играют квантовые свойства частиц. Для описания фундаментальных взаимодействий, однако, недостаточно обычной квантовой механики. Во-первых, квантовая механика является нерелятивистской теорией, то есть она верна для малых скоростей по сравнению со скоростью света. Во-вторых, квантовая механика не описывает процессы рождения и уничтожения частиц, которые происходят при взаимодействии частиц высоких энергий. Релятивистским обобщением согласующимся с идеями специальной теории относительности квантовой механики является квантовая теория поля.
Квантовая теория поля В квантовополевых теориях частицы материи являются «квантами» возмущениями соответствующих полей. Взаимодействие между частицами переносится специальными полями. Предполагается, что частицы материи в процессе взаимодействия испускают и поглощают другие частицы — кванты поля-переносчика. Первый успешный пример квантовой теории поля — квантовая электродинамика — был построен в работах Фейнмана, Швингера и Томонаги в середине двадцатого века, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1965 году. Квантовая электродинамика рассматривает взаимодействие между заряженными частицами например, электронами и позитронами , возникающее вследствие обмена фотонами — квантами электромагнитного поля. Вплоть до настоящего времени квантовая электродинамика остается самой точной физической теорией. Симметрия в физике элементарных частиц Под симметрией физики понимают неизменность чего-либо при выполнении определенных преобразований. При этом большую роль играет симметрия законов, или уравнений.
В физике симметрии играют двоякую роль. Во-первых, каждому типу симметрии физической системы соответствует сохраняющаяся величина. Во-вторых, от новых физических теорий можно требовать выполнения различных симметрий. Чем больше таких требований — тем меньше произвол в построении теории. Примером физической теории, обладающей симметрией, является обычная квантовая механика, оперирующая волновыми функциями. Волновая функция частицы — это комплексная функция, например, пространственных координат грубо говоря, комплексное число в каждой точке. Ее можно рассчитать из уравнения Шрёдингера. Физический смысл имеет не сама волновая функция, а квадрат ее модуля, который показывает вероятность нахождения частицы в каком-либо месте.
Если все волновые функции умножить на одно и то же комплексное число с модулем 1, никакие предсказания теории не изменятся. Действительно, модуль произведения комплексных чисел равен произведению модулей, и от такого домножения никакие вероятности не изменяются. Это пример так называемой глобальной симметрии глобальной — потому, что волновая функция умножалась в разных точках на одно и то же число. Суть этой симметрии заключается в том, что теория не изменяется относительно некоторого класса преобразований в нашем случае эти преобразования — умножение на произвольное комплексное число с модулем, равным 1. Квантовая электродинамика обладает симметрией относительно преобразований, называемых калибровочными. Эти преобразования заключаются в домножении поля электронов на комплексное число с модулем 1 правда, чтобы теория не изменялась, одновременно с преобразованием поля электронов нужно выполнить и некоторые другие преобразования электромагнитного поля. В отличие от рассмотренного выше случая квантовой механики, это число уже может быть в каждой точке различным локальная симметрия. Интересно отметить следующий момент.
Как было сказано выше, с каждой симметрией связана сохраняющаяся величина. В случае калибровочных преобразований квантовой электродинамики такой сохраняющейся величиной является обычный электрический заряд. В пятидесятых годах Янг и Миллс построили модель, уравнения которой не менялись под действием более сложных локальных калибровочных преобразований. Сначала интерес был исключительно математическим. Однако потом на основе теории Янга — Миллса были созданы основные теории взаимодействия элементарных частиц — теория электрослабых взаимодействий и квантовая хромодинамика. Эти теории, обладающие калибровочной симметрией, получили экспериментальное подтверждение. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий В шестидесятых годах удалось объединить электромагнетизм и слабые взаимодействия. Салам, Глэшоу и Вайнберг построили теорию электрослабых взаимодействий.
В 1979 году им была присуждена Нобелевская премия. Новая теория предсказала существование новых частиц, так называемых W- и Z-бозонов. Они отвечают за «перенос» слабого взаимодействия. Эти бозоны были открыты на протонном суперсинхротроне в 1983 году. Казалось бы, каким образом можно объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, если у первых радиус взаимодействия бесконечен действительно, мы видим свет — электромагнитное излучение — от удаленных галактик и других астрономических объектов , а у вторых он не превышает размеры атомного ядра? Оказывается, такая «несимметричность» связана с тем, что масса фотонов равна нулю, а масса W- и Z-бозонов очень большая, они примерно в 100 раз тяжелее протона. Нарушение так называемой электрослабой симметрии является важным свойством теории электрослабых взаимодействий этой симметрией обладают уравнения теории. В результате нарушения W- и Z-бозоны и некоторые другие частицы например, электроны приобретают массы.
В рамках модели Янга — Миллса калибровочные бозоны нельзя сделать массивными, не разрушив калибровочную симметрию. Для нарушения электрослабой симметрии был придуман механизм Хиггса. Основная идея заключается в том, что все пространство пронизывает специальное хиггсовское поле, которое взаимодействует с остальными полями и нарушает симметрию, хотя уравнения теории остаются симметричными. Возмущения хиггсовского поля должны проявляться на эксперименте как новые частицы — хиггсовские бозоны. Бозон Хиггса — очень тяжелая частица, тяжелее W- и Z-бозонов. Поэтому она пока не открыта экспериментально. Теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, тоже основана на уравнениях Янга — Миллса. Квантовая хромодинамика говорит, что многие элементарные частицы — мезоны и барионы например, протон — состоят из кварков.
Однако изолированные кварки никогда не наблюдались это явление называется конфайнментом. Из-за сложности уравнений квантовой хромодинамики конфайнмент до сих пор не выведен из них напрямую.
Она объединяет три фундаментальных взаимодействия при высоких энергиях. И, самое большое преимущество,- она решает загадку физики под названием «проблема калибровочной иерархии». Загадка связана с несоразмерностью гравитации и слабым ядерным взаимодействием, которое в 100 миллионов триллионов триллионов 1032 раз сильнее, и действует на гораздо меньших масштабах, управляя взаимодействием внутри атомного ядра. Частицы, переносящие слабое взаимодействие, W и Z-бозоны, получают массу из хиггсовского поля, поля энергии, пропитывающего пространство. Но непонятно, почему энергия поля Хиггса, и соответственно массы W и Z-бозонов, такие небольшие. Поскольку другие частицы связаны с полем Хиггса, их энергии должны влиться в него в момент квантовых флюктуаций.
Это должно сильно поднять энергию хиггсовского поля, делая W и Z-бозоны более массивными и приводя к тому, что слабое взаимодействие ослабеет до уровня гравитации. Суперсимметрия решает проблему иерархии, предполагая наличие суперпартнёра-близнеца для каждой элементарной частицы. Согласно теории, у фермионов, из которых состоит материя, есть суперпартнёры-бозоны, переносящие взаимодействия, а у существующих бозонов есть суперпартнёры-фермионы. Поскольку типы частиц и их суперпартнёров противоположны, вклады их энергии в хиггсовское поле обладают противоположными знаками — один его увеличивает, второй уменьшает. Вклады пар взаимоуничтожаются, и никаких катастроф не происходит. А в качестве бонуса один из неоткрытых суперпартнёров может быть составной частью тёмной материи. Со временем, поскольку суперпартнёры не появились, суперсимметрия стала менее красивой.
Суперсимметрия
Теория струн (теория суперструн) и суперсимметрия претендуют на роль Единой Теории Поля. С ней должна уйти на покой теория расширения пространства, из которой происходят теории тёмной материи и энергии. Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить вещество во взаимодействие, и суперсимметрии выдвигалась многими. особенностями обладают различные элементарные частицы? Когда была была предложена теория, предполагающая связь. Левин Б.М. Реализация суперсимметрии в атоме дальнодействия и конфайнмент, барионная асимметрия, тёмная материя/тёмная энергия.
Нобелевская премия по физике 2008 года. Нобелевская асимметрия
В чем заключается «кризис суперсимметрии», как «поделить» физику высоких энергий и для чего нужно строить у себя установки класса megascience, в интервью. Суперсимметрия важна для теории струн, но наличие суперсимметрии в природе само по себе не означает, что последняя — правильная физическая теория. Однако Тара Шиарс отказалась полностью отвергнуть теорию суперсимметрии и заметила, что не нашли подтверждения выводы ее упрощенной версии, а не более сложного варианта. суперсимметрия. суперсимметрия. Супервремя — понятие, возникшее как «игрушечная модель» в суперсимметричной теории поля — одномерный слепок суперпространства.
Физики открыли пятую силу природы. Главное об эксперименте с мюоном g-2
Она пытается совместить общую теорию относительности гравитации с квантовой физикой. Теория суперструн позволит объединить все фундаментальные силы вселенной. Эта гипотеза предсказывает новую связь, суперсимметрию, между двумя принципиально различными типами частиц, бозонами и фермионами. Концепция описывает ряд дополнительных, обычно ненаблюдаемых измерений Вселенной.
Струны и браны Когда теория возникла в 1970 годы, нити энергии в ней считались 1-мерными объектами — струнами. Слово «одномерный» говорит о том, что струна имеет только 1 измерение, длину, в отличие от, например, квадрата, который имеет длину и высоту. Эти суперструны теория делит на два вида — замкнутые и открытые.
Открытая струна имеет концы, которые не соприкасаются друг с другом, в то время как замкнутая струна является петлей без открытых концов. В итоге было установлено, что эти струны, называемые струнами первого типа, подвержены 5 основным типам взаимодействий. Взаимодействия основаны на способности струны соединять и разделять свои концы.
Поскольку концы открытых струн могут объединиться, чтобы образовывать замкнутые, нельзя построить теорию суперструн, не включающую закольцованные струны. Это оказалось важным, так как замкнутые струны обладают свойствами, как полагают физики, которые могли бы описать гравитацию. Другими словами, ученые поняли, что теория суперструн вместо объяснения частиц материи может описывать их поведение и силу тяжести.
Через многие годы было обнаружено, что, кроме струн, теории необходимы и другие элементы. Их можно рассматривать как листы, или браны. Струны могут крепиться к их одной или обеим сторонам.
Квантовая гравитация Современная физика имеет два основных научных закона: общую теорию относительности ОТО и квантовую. Они представляют совершенно разные области науки. Квантовая физика изучает мельчайшие природные частицы, а ОТО, как правило, описывает природу в масштабах планет, галактик и вселенной в целом.
Гипотезы, которые пытаются объединить их, называются теориями квантовой гравитации. Наиболее перспективной из них сегодня является струнная. Замкнутые нити соответствуют поведению силы тяжести.
В частности, они обладают свойствами гравитона, частицы, переносящей гравитацию между объектами. Объединение сил Теория струн пытается объединить четыре силы — электромагнитную, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и гравитацию — в одну. В нашем мире они проявляют себя как четыре различные явления, но струнные теоретики считают, что в ранней Вселенной, когда были невероятно высокие уровни энергии, все эти силы описываются струнами, взаимодействующими друг с другом.
Суперсимметрия Все частицы во вселенной можно разделить на два типа: бозоны и фермионы. Теория струн предсказывает, что между ними существует связь, называемая суперсимметрией. При суперсимметрии для каждого бозона должен существовать фермион и для каждого фермиона — бозон.
Таким образом, имеется некая скрытая пока от нас материя. Подтверждает существование тёмной материи и такой феномен, как гравитационное линзирование. Это явление, при котором фотоны лучи света отклоняются от своего движения по прямой при прохождении рядом с массивным космическим телом.
В основе линзирования лежит эффект искривления пространства вблизи массивного тела. Наблюдая за объектами, находящимися на большом удалении от Земли, учёные заметили, что происходит искажение направления распространения фотонов, причём это искажение нельзя объяснить только лишь наблюдаемой массой «обычной» материи. Искажение возникает под влиянием некой скрытой массы объектов, то есть тёмной материи.
Что касается природы тёмной материи, то условно можно выделить два её типа: барионная, состоящая из обычного вещества, но невидимая по каким-то причинам, и небарионная, состоящая из не обнаруженных пока частиц. Возможный кандидат на роль барионной тёмной материи — первичные чёрные дыры. Такие чёрные дыры образовывались не за счёт гравитационного коллапса крупной звезды, как обычные чёрные дыры, а из сверхплотной материи в момент начального расширения Вселенной.
Наши коллеги из Новосибирского государственного университета активно занимаются этим направлением. Учёные предполагают, что при столкновении подобных частиц может родиться частица тёмной материи. Но непосредственно зарегистрировать частицы неизвестного вещества вряд ли получится, так как они должны иметь крайне низкую вероятность регистрации системами детектора.
С помощью... Однако при помощи детектора можно проанализировать все другие частицы, появившиеся при столкновении, и определить, что объём детектора покинула какая-то частица, которая, предположительно, может быть связана с частицами тёмной материи. Однако не факт, что частицы, рождённые в коллайдерах, — это те самые, которые отвечают за скрытую массу во Вселенной.
Существуют и методы регистрации тёмной материи с помощью регистрации излучения от массивных объектов. Учёным известно, что там, где наблюдаются большие скопления видимого вещества, тёмная материя тоже имеет более высокую плотность. Ожидается, что при достаточной плотности частицы тёмной материи могут столкнуться и аннигилировать, излучая при этом частицы обычной материи, которая уже может быть зарегистрирована.
Однако этот метод не позволяет точно определить, что излучение исходит именно от тёмной материи.
И теперь мы знаем, что законы электричества и законы магнетизма — просто два закона, которые определяют единую фундаментальную силу электромагнетизма. Если суперсимметричные частицы включены в Стандартную модель, они бы тесно связали три из четырех фундаментальных сил, которые описываются Стандартной моделью: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие. Суперсимметрия будет означать, что все эти три силы будут обладать одной и той же силой на очень высоких энергетических уровнях. Калаби-Яу В частности, суперсимметрия может укрепить теорию струн. Суперсимметрия часто описывается как трамплин для теории струн — чтобы она стала возможной, необходима некоторая версия суперсимметрии. Теория струн остается одним из ведущих кандидатов на «теорию всего», которая объединит всю физику. Тем не менее проверить ее экспериментально чрезвычайно трудно. Тем не менее открытие суперсимметрии по крайней мере даст апологетам теории струн знать, что они идут в правильном направлении.
Бозоны Хиггса Физики думают, что мы найдем доказательства суперсимметрии? Несмотря на десятилетия поисков, никто не нашел никаких доказательств суперсимметрии. Впрочем, великие теории открывались не за два-три года. К примеру, почти полвека понадобилось на то, чтобы открыть бозон Хиггса с момента теоретического предположения его существования. Потому, хотя мы и не видим доказательств суперсимметрии, эта теория остается очень мощной. Тем не менее Вселенной абсолютно все равно, насколько идеальными наши теории ни казались бы, говорит Линкольн. Многие физики говорят, что мы должны были найти доказательства суперсимметричных частиц уже в первый запуск БАК, поэтому теория вполне может быть не ахти. Но только потому, что мы не видели каких-либо суперсимметричных частиц, еще не означает, что их нет.
В настоящее время мы не можем описать Вселенную в том виде, в котором мы ее наблюдаем, используя общую теорию относительности ОТО. Есть два пути. Первый — предположить, что уравнения ОТО здесь не работают. Но это не так просто, если вы хотите удовлетворить «эстетические» требования к теории. Это одно из направлений исследований. Второй путь — внести в существующее описание Вселенной темную материю и темную энергию. Для многих это выглядит более привлекательно, и поэтому большая часть ученых поддерживает второй выбор. Вопрос, кто прав, должен быть разрешен экспериментом. Физика — наука экспериментальная, поэтому, если темная материя существует, значит, мы должны ее найти. На данный момент в мире проводятся более десяти экспериментов по поиску темной материи, но результата пока нет. Но и вопрос техники, конечно, тоже. Это как с гравитационными волнами. Чувствительность улучшалась на протяжении многих лет, и когда был достигнут порог, результаты вдруг посыпались как из рога изобилия. До этого, в 1990-х, в Fermilab был открыт т-кварк. Главные задачи на ближайшее время для науки — придумать механизм, который бы объяснил наличие массы у нейтрино, а также включить гравитацию в «новую модель мира». Замечу также, что даже в обычной квантовой механике и физической оптике по-прежнему много актуальных не отвеченных вопросов. Можно ли делать интересную физику на маленьких машинах? Но в основном все простые эксперименты уже проведены, и, если говорить про физику частиц, получение большой энергии подразумевает большой масштаб. Зачем строить такие установки на территории своей страны, если можно изучать физику у соседей? Также им повезло, что они находятся в «правильном месте». ОИЯИ является международной организацией, и им проще организовать международную коллаборацию, без которой создание установки такого класса было бы гораздо труднее. Если же говорить о том, зачем строить установки такого класса у себя, то, во-первых, это вопрос престижа государства. Во-вторых, если хочешь пользоваться плодами мировой науки, необходимо развивать ее у себя. Ученые работают все вместе — если кто-то предложил интересную идею, об этом становится известно всем, но реализует ее лишь тот, у кого есть не только интеллект, но и средства. Наука похожа на спорт, и, если у тебя нет амбиций, трудно чего-то добиться. Развитие фундаментальной науки очень важно. Если вы хотите, чтобы в вашей стране были профессора мирового уровня — необходимо, чтобы они работали именно у вас, а не в CERN. Потому что, если в ваших вузах преподают лучшие профессора, у вас и студенты будут соответствующие. Например, мое поколение получило фантастически хорошее образование. Я скорее отрицательно отношусь к рейтинговой системе оценок университетов, потому что она ориентирована на «западный» стиль организации науки, в котором тоже есть проблемы. Мне кажется более привлекательным способ организации науки как в Новосибирском Академгородке в Советском Союзе, где университет и научные институты были единым целым. Насколько я понимаю, эта система действует до сих пор. Лучшее учебное заведение в районе Fermilab — Чикагский университет — в одном часе езды на автомобиле, и то если повезет с трафиком. Также до недавнего времени к нам на стажировку приезжали ребята из России. Для них это хороший опыт, и для нас польза. Как это получилось? По результатам экспериментов я защитил кандидатскую диссертацию.
Неполная теория
- Большой адронный коллайдер нанес еще один удар теории суперсимметрии.
- Подписка на дайджест
- Нобелевская премия по физике 2008 года. Нобелевская асимметрия
- Статьи в журнале «Современные научные исследования и инновации»
- Эксперимент на Большом адронном коллайдере опроверг современную теорию мироздания