Гляжусь, как в зеркало: есть ли шансы у суперсимметрии?

Немногим более сорока лет назад появилась суперсимметрия – теория, в которой каждому существующему фермиону в пару полагается бозон, и наоборот. Она не оправдала больших надежд, но многие физики по-прежнему бьются в поисках суперсимметричных партнеров. «Яблоко от вишенки» - основной принцип суперсимметрии, которая предполагает превращения между типами частиц, совершенно невозможные в Стандартной модели. Какие проблемы таким образом решаются и почему суперсимметрия не смогла завоевать мир – в нашем суперматериале.

Котлеты и мухи

В материале о Стандартной модели мы уже рассказали об основных принципах современной теоретической физики: все вещество в нашем мире состоит из элементарных частиц, лептонов и кварков, а также частиц-переносчиков, за счет которых происходит взаимодействие.

По другой логике, все частицы делятся всего лишь на два типа: фермионы и бозоны. Лептоны и кварки относятся к первому типу частиц, а переносчики взаимодействий – ко второму. В физике они так и называются – калибровочными бозонами.

Оля и Яло

Чтобы разобраться в отличиях фермионов и бозонов, необходимо ввести понятие спина.

Если тело вращается, «количество» этого движения можно охарактеризовать: сколько массы обращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью оно происходит. В физике такая величина называется моментом импульса. Классический пример: сядьте на крутящееся офисное кресло и возьмите в руки две гантели или книжки потяжелее. Раскрутитесь, вытяните руки в стороны, а затем, наоборот, согните их. Заметили разницу? Скорость вашего движения изменится – это происходит именно потому, что вы изменяете собственный момент импульса, распределяя массу по-другому.

Когда речь идет об элементарных частицах, появляется величина, формально схожая с моментом импульса. Она называется спином, и характеризует некоторый внутренний, присущий каждой частице момент импульса. Но эта величина, в отличие от стандартного определения, не связана с распределением масс или скоростью вращения, а является чисто квантовым эффектом.

Спин может принимать любые положительные значения с шагом 0.5: 0, 0.5, 1, 1.5 и так далее. Итак, мы приходим к главному различию между фермионами и бозонами: первые обладают полуцелым спином (0.5, 1.5, …), а вторые - целым (0, 1, ...).

Не садись со мной

Самое важное отличие квантовой механики от классической состоит в том, что все величины в квантовой механике могут изменяться только скачкообразно, на очень маленькую величину. Физики говорят, что они «квантуются», подразумевая под «квантом» какое-то конкретное число. Величина этого «скачка» очень мала, и определяется так называемой постоянной Планка, примерно равной 10^-34. В нашем обычном мире мы просто не замечаем столь малого изменения, например, температуры. Но в микроскопическом мире это становится принципиально важно.

Все характеристики частиц в квантовой механике измеряются в количестве постоянных Планка, и для простоты обозначаются числом. Например, спин 1 означает «одна постоянная Планка». Договорившись, в каком порядке обозначать физические величины, состояние любой частицы можно описать набором квантовых чисел – это будет ее квантовое состояние.

Именно в значении спина скрыта фундаментальная разница между фермионами и бозонами. Оказывается, что два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии, то есть обладать одинаковым набором квантовых чисел. А у бозонов подобных предрассудков нет. И, согласно современным понятиям, из-за столь принципиальных отличий фермионы не могут превращаться в бозоны или обратно.

Ты просто «супер»

К началу семидесятых годов физикам уже было известно практически все о симметрии в законах физики. Оказалось, что каждое из взаимодействий – электромагнитное, слабое, сильное – обладает своей особой симметрией. Помимо этого, все известные нам теории в целом также симметричны: происходящие явления не зависят, например, от ориентации в пространстве и от направления течения времени. 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. «Отмотав» назад время до Большого Взрыва физики пришли к выводу, что при больших энергиях и температурах в начале жизни Вселенной все взаимодействия были примерно одной интенсивности. Это был момент «великого объединения». Стандартная модель такого поведения не предсказывает, а вот суперсимметрия в силах изменить эволюцию интенсивности взаимодействий.

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. Претенденты – гипотетическая нейтральная частица нейтралино, предсказываемая суперсимметричными теориями, снейтрино, двойник нейтрино или гравитино, партнер гравитона.

Ложка дегтя

Проблем с физической точки зрения у суперсимметрии тоже хватает. Самая главная – огромное число свободных параметров, то есть значений различных констант, которые необходимо вводить искусственно, экспериментально они не измеряются. У суперсимметрии их порядка ста, и возникает ощущение, что правильно их «подкрутив» можно объяснить абсолютно любое явление.

Масса партнера бозона Хиггса, хиггсино, согласно суперсимметрии может быть либо равной нулю, либо порядка массы Планка – и это очень странно, ведь из общих принципов мы ожидаем, что они будут равными.

Успех или полный провал?

Появившись более сорока лет назад, элегантная, разумная и действенная, суперсимметрия воистину взбудоражила умы многих физиков. Однако, за это время найти хотя бы одного суперсимметричного партнера так и не удалось. Это говорит о том, что все-таки суперсимметрия не является окончательной моделью в физике, а снова «промежуточной». Массы суперпартнеров не совпадают, иначе мы бы уже давно обнаружили фотино и скварки: значит, во Вселенной существует еще более «супер» суперсимметрия.

Но было бы неверно сказать, что научный мир окончательно отказался от данной идеи: многие существующие эксперименты по-прежнему ищут «частицы с приставкой "с". На основе суперсимметрии была разработана и супергравитация – теория квантовой гравитации, надежда на включение в Стандартную модель четвертого типа взаимодействий.

Помимо этого, для создании различных вариантов суперсимметрии был развит внушительный математический аппарат. Полученные навыки физики смогли применить в других областях, значительно расширив свой запас "инструментов" для расчетов.

И кто знает, может через десятки лет суперсимметрия все же поможет прийти к Теории Всего?