Higgs-bosoni hajoaa tässä törmäyksessä, jonka ATLAS-ilmaisin kirjasi 18. toukokuuta 2012.
(Kuva: © ATLAS)
Paul M. Sutter on astrofysiikka SUNY Stony Brookissa ja Flatiron-instituutissa, isäntä Kysy avaruusasemalta ja Avaruusradio, ja kirjoittajaPaikkasi maailmankaikkeudessa."Sutter kirjoitti tämän artikkelin Space.com: n asiantuntijaäänet: Op-Ed & Insights.
Luonnon symmetriat voimistavat ymmärrystämme kosmosta, painovoiman universaalisuudesta kosmetiikan yhdistymiseen luonnon voimat korkeilla energioilla.
Fyysikot paljastivat 1970-luvulla potentiaalisen symmetrian, joka yhdisti kaikenlaiset hiukkaset maailmankaikkeudessa, elektronista fotoneihin ja kaikkeen niiden väliin. Tämä yhteys, joka tunnetaan nimellä supersymmetria, luottaa spinin omituiseen kvanttiominaisuuteen ja mahdollisesti omistaa avaimen uuden fysiikan ymmärtämisen avaamiseen.
Symmetriat ovat valtaa
Symmetriat ovat vuosisatojen ajan antaneet fyysikoille mahdollisuuden löytää taustalla olevat yhteydet ja perussuhteet koko maailmankaikkeudessa. Kun Isaac Newton ensin napsautti ajatusta, että painovoima, joka vetää omenan puusta, on täsmälleen sama voima, joka pitää kuun kiertoradalla auringon ympäri, hän löysi symmetrian: painovoimalait ovat todella universaalia. Tämä käsitys antoi hänelle mahdollisuuden tehdä valtava harppaus ymmärtää luonnon toimintaa.
Fyysikot ympäri maailmaa hämmästelivät sähkön, magneettisuuden ja säteilyn omituisia ominaisuuksia koko 1800-luvun ajan. Mikä sai sähkövirran virtaamaan johdosta alas? Kuinka pyörivä magneetti voisi työntää saman virran ympäri? Oliko valo aalto vai hiukkas? Vuosikymmenten ajan vaikean pohtimisen huipentui James Clerk Maxwellin puhdas matemaattinen läpimurto, joka yhdisti kaikki nämä erilliset tutkimushaarat yhdellä yksinkertaisella yhtälöllä: sähkömagnetismi.
Albert Einstein teki myös merkinnän ottamalla Newtonin näkemykset askeleen pidemmälle. Hän paljasti, että kaikkien fyysisten lakien tulisi olla samat sijainnistasi tai nopeudesta riippumatta erityinen suhteellisuusteoria; ajan ja tilan käsitteet oli kirjoitettava uudelleen tämän luonnon symmetrian säilyttämiseksi. Ja gravitaation lisääminen siihen sekoitukseen johti hänet yleinen suhteellisuusteoria, nykyaikainen ymmärryksemme tuosta voimasta.
Jopa luonnonsuojelulakimme - energian säästäminen, vauhdin säilyttäminen ja niin edelleen - riippuvat symmetriasta. Se, että voit suorittaa kokeen päivä päivältä ja saada saman tuloksen, paljastaa ajan myötä symmetrian, joka Emmy Noether johtaa energian keskustelulakiin. Ja jos valitset kokeilusi ja siirrät sen huoneen poikki ja saat silti saman tuloksen, paljasit vain symmetrian avaruuden läpi ja vastaavan vauhdin säilyttämisen.
Pyörivä peili
Makroskooppisessa maailmassa tämä vain tiivistää kaikki luonnossa havaitsemasi symmetriat. Mutta subatominen maailma on erilainen tarina. Perushiukkaset maailmankaikkeuksemme sinulla on mielenkiintoinen ominaisuus, joka tunnetaan nimellä "spin". Se havaittiin ensin kokeissa, jotka ampuivat atomeja monipuolisen magneettikentän läpi aiheuttaen niiden polkujen taipuman täysin samalla tavalla kuin kehruu, sähköisesti varautunut metallipallo.
Mutta subatomiset hiukkaset eivät pyöri, sähköisesti varautuneet metallikuulat; he vain käyttäytyvät kuten he tietyissä kokeissa. Ja toisin kuin niiden normaalimaailman analogit, subatomisilla hiukkasilla ei voi olla minkäänlaista kiertoa, mitä he haluavat. Sen sijaan jokaisella hiukkasella on oma ainutlaatuinen määrä spinää.
Erilaisista epäselvistä matemaattisista syistä joidenkin hiukkasten, kuten elektronin, spin on ½, kun taas muiden hiukkasten, kuten fotonin, spin on 1. Jos mietit, kuinka fotoni voisi mahdollisesti käyttäytyä kuin kehruussa varautunut metallipallo, niin älä hikoile sitä liikaa; voit vapaasti ajatella vain "spiniä" kuin uutta subatomisten hiukkasten ominaisuutta, jota meidän on seurattava, kuten niiden massaa ja varausta. Ja joillakin hiukkasilla on enemmän tätä ominaisuutta, ja toisilla on vähemmän.
Yleensä hiukkasia on kaksi suurta "perhettä": ne, joiden puolilukumäärä (1/2, 3/2, 5/2 jne.) Pyörii, ja ne, joilla on kokonaisluku (0, 1, 2 jne.) .) spin. Puoliskoita kutsutaan "fermioneiksi", ja ne koostuvat maailman rakennuspalikoista: elektronit, kvarkit, neutriinot ja niin edelleen. Kukoja kutsutaan "bosoneiksi" ja ne ovat luonnonvoimien kantajat: fotonit, gluonit ja muut.
Ensi silmäyksellä nämä kaksi hiukkasperhettä eivät voisi olla erilaiset.
Spartikkelien sinfonia
1970-luvulla joustoteoreetikot alkoi tarkastella kriittisesti tätä spin-ominaisuutta ja alkoi pohtia, voisiko siellä olla luonnon symmetria. Idea laajeni nopeasti jousikunnan ulkopuolelle ja siitä tuli aktiivinen tutkimusalue hiukkasfysiikan alalla. Jos totta, tämä "supersymmetria" yhdistäisi nämä kaksi näennäisesti erilaista hiukkasperhettä. Mutta miltä tämä supersymmetria näyttäisi?
Perussisältö on, että supersymmetrialla jokaisella fermionilla olisi "superpartner-hiukkanen" (tai "sparticle" lyhyesti - ja nimet vain pahenevat) bosonimaailmassa, ja päinvastoin, täsmälleen samalla massalla ja lataa, mutta erilainen spin.
Mutta jos etsimme spartikkeleita, emme löydä. Esimerkiksi elektronin hiukkasella ("selektroni") tulisi olla sama massa ja varaus kuin elektronilla, mutta spinillä on 1.
Tuo hiukkanen ei ole olemassa.
Joten jotenkin tämä symmetria täytyy rikkoa maailmankaikkeudessa ajamalla spartikkelien massoja hiukkasten törmäyslaitteidemme alueen ulkopuolelle. Supersymmetrian saavuttamiseksi on monia erilaisia tapoja, kaikki ennustavat erilaisia massoja selektroneille, lopetuskvarkeille, sneutrinoille ja kaikille muille.
Tähän päivään mennessä ei ole löydetty todisteita supersymmetriasta, ja kokeiluja Suuri hadronikoppuri ovat sulkeneet pois yksinkertaisimmat supersymmetriset mallit. Vaikka se ei ole aivan viimeinen naula arkkuun, teoreetikot raaputtavat päätään, miettivät, eikö supersymmetriaa todella löydy luonnosta, ja mitä meidän pitäisi seuraavaksi ajatella, jos emme löydä mitään.
- Universumi: Big Bang toistaiseksi 10 helpossa vaiheessa
- 'Supergravity' -teoreetikot voittivat 3 miljoonan dollarin fysiikan läpimurtopalkinnon
- Antarktiksesta salaisuudet salaperäiset hiukkaset uhmaavat fysiikkaa
Lisätietoja kuuntelemalla jaksoa "Onko merkkijonoteoria sen arvoinen? (Osa 4: Tarvitsemme supersankarin)" Ask A Spaceman-podcastissa, saatavana osoitteessa iTunesja verkossa osoitteessa http://www.askaspaceman.com. Kiitos 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. kysymyksiin, jotka johtivat tähän kappaleeseen! Esitä oma kysymys Twitterissä käyttämällä #AskASpaceman tai seuraamalla Paulia @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter. Seuraa meitä Twitterissä @Spacedotcom tai Facebook.
