Суперсимметрия или симметрия Ферми-Бозе кратко

Привет, Вы узнаете о том , что такое суперсимметрия, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое суперсимметрия, симметрия ферми-бозе , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Атомная и Ядерная физика.

суперсимметрия , или симметрия Ферми — Бозе, — гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе . Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить вещество во взаимодействие (или в излучение), и наоборот.

Суперсимметрия предполагает удвоение (как минимум) числа известных элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров. К примеру, для фотона — фотино, кварка — скварк, хиггса — хиггсино и так далее. Суперпартнеры должны иметь значение спина, на полуцелое число отличающееся от значения спина у исходной частицы .

Суперсимметрия – это гипотетическая симметрия пространства и времени, причем уникальная. Среди физиков-теоретиков эта идея несколько десятилетий была очень популярной по ряду причин – она была хитом, когда я был студентом, еще до того, как физика стала крутой темой, и даже еще раньше.

Автоматическим следствием наличия в природе симметрии будет то, что у каждого типа частиц будет один или несколько суперпартнеров – другой тип частиц, обладающий теми же свойствами, но отличающийся определенным, и важным, образом. Если частица – фермион, то ее суперпартнер – бозон. Если частица – бозон, ее суперпартнер – фермион

По состоянию на 2019 год суперсимметрия является физической гипотезой, не подтвержденной экспериментально. Совершенно точно установлено, что наш мир не является суперсимметричным в смысле точной симметрии, так как в любой суперсимметричной модели фермионы и бозоны, связанные суперсимметричным преобразованием, должны обладать одинаковыми массой, зарядом и другими квантовыми числами (за исключением спина). Данное требование не выполняется для известных в природе частиц. Предполагается, тем не менее, что существует энергетический лимит, за пределами которого поля подчиняются суперсимметричным преобразованиям, а в рамках лимита — нет. В таком случае частицы-суперпартнеры обычных частиц оказываются очень тяжелыми по сравнению с обычными частицами .

Поиск суперпартнеров обычных частиц — одна из основных задач современной физики высоких энергий . Ожидается, что Большой адронный коллайдер сможет открыть и исследовать суперсимметричные частицы, если они существуют, или поставить под большое сомнение суперсимметричные гипотезы, если ничего не будет обнаружено.

История

Впервые суперсимметрию предложили в 1973 году австрийский физик Юлиус Весс и итальянский физик Бруно Зумино для описания ядерных частиц . Математический аппарат теории был открыт еще раньше, в 1971—1972 годах, советскими физиками Юрием Гольфандом и Евгением Лихтманом из ФИАН, а также Дмитрием Волковым и Владимиром Акуловым ^[10][11] из ХФТИ. Суперсимметрия впервые возникла в контексте версии теории струн, которую предложили Пьер Рамон, Джон Шварц и Андре Неве, однако алгебра суперсимметрии позднее стала успешно использоваться и в других областях физики.

Суперсимметричное расширение Стандартной модели

Основная физическая модель современной физики высоких энергий — Стандартная модель — не является суперсимметричной, но может быть расширена до суперсимметричной теории. Минимальное суперсимметричное расширение Стандартной модели называется «минимальная суперсимметричная Стандартная модель» (MSSM). В MSSM необходимо добавить дополнительные поля так, чтобы построить суперсимметричный мультиплет с каждым полем Стандартной модели. Для материальных фермионных полей — кварков и лептонов — нужно ввести скалярные поля — скварки и слептоны, по два поля на каждое поле Стандартной модели. Для векторных бозонных полей — глюонов, фотонов, W- и Z-бозонов — вводятся фермионные поля глюино, фотино, зино и ви́но, также по два на каждую степень свободы Стандартной модели. Для нарушения электрослабой симметрии в MSSM нужно ввести 2 хиггсовских дуплета (в обычной Стандартной модели вводится один хиггсовский дуплет), то есть в MSSM возникает 5 хиггсовских степеней свободы — заряженный бозон Хиггса (2 степени свободы), легкий и тяжелый скалярный бозон Хиггса и псевдоскалярный бозон Хиггса.

В любой реалистической суперсимметричной теории должен присутствовать сектор, нарушающий суперсимметрию. Наиболее естественным нарушением суперсимметрии является введение в модель так называемых мягких нарушающих членов. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . В настоящее время рассматриваются несколько вариантов нарушения суперсимметрии.

• SUGRA — нарушение суперсимметрии, основанное на взаимодействии с гравитацией;
• GMSB — нарушение за счет взаимодействия с дополнительными калибровочными полями (с зарядами по группе Стандартной модели);
• AMSB — нарушение, также использующее взаимодействие с гравитацией, но с применением конформных аномалий.

Первый вариант MSSM предложили в 1981 году американские физики Говард Джорджи и Савас Димопулос.

Достоинства идеи суперсимметрии

Теории, включающие суперсимметрию, дают возможность решить несколько проблем, присущих Стандартной модели:

• Решение проблемы иерархии. Одно из ее проявлений — величина радиационных поправок к массе бозона Хиггса. В рамках Стандартной модели поправки к массе скалярного поля имеют квадратичную форму и оказываются существенно больше, чем масса поля, входящая в лагранжиан. Для сокращения таких поправок к массе Хиггса параметры Стандартной модели должны иметь очень точно определенные значения. В рамках MSSM поправки, как к фермионным массам, так и скалярным, имеют логарифмическую форму, и их сокращение происходит более естественно, но требует точной суперсимметрии. Кроме того, данное решение проблемы иерархии предполагает, что массы суперпартнеров не могут быть больше, чем несколько сотен ГэВ. Этот аргумент позволяет ожидать открытие суперсимметрии на коллайдере LHC.
• Унификация калибровочных бегущих констант. Известно, что в калибровочных теориях возникает явление бегущей константы связи, то есть значение константы взаимодействия изменяется в зависимости от того, на каком энергетическом масштабе наблюдается взаимодействие. Стандартная модель базируется на трех различных калибровочных группах. Значения констант этих групп различны на малых энергиях, и с увеличением энергии они меняются. На энергетическом уровне порядка 100 ГэВ две константы становятся одинаковыми (явление электрослабого объединения). На энергетическом уровне 10¹⁶ ГэВ все три константы сходятся примерно к одному значению, но в Стандартной модели они не могут стать равными друг другу. То есть, строго говоря, в рамках Стандартной модели «великое объединение» (электрослабого и сильного взаимодействия) невозможно. Поправки за счет новых полей МССМ меняют вид энергетической эволюции констант, так что они могут сойтись в одну точку.
• Темная материя. За последние годы в астрофизике наблюдаются явления, указывающие на существование темной материи. В MSSM естественно возникает кандидат на объяснение этого феномена — нейтралино, нейтральная стабильная частица.

Проблемы идеи суперсимметрии

• Удвоение числа полей.
• Проблема μ-члена.
• Ароматовая универсальность мягких членов и A-масс.
• Малость фаз CP-нарушения.

Применение математического аппарата суперсимметрии[править | править код]

Независимо от существования суперсимметрии в природе, математический аппарат суперсимметричных теорий оказывается полезным в самых различных областях физики. В частности, суперсимметричная квантовая механика позволяет находить точные решения весьма нетривиальных уравнений Шредингера. Суперсимметрия оказывается полезной в некоторых задачах статистической физики (например, суперсимметричная сигма-модель).

Экспериментальная проверка

В 2011 году на Большом адронном коллайдере (БАК) была проведена серия экспериментов, в ходе которых проверялись фундаментальные выводы теории Суперсимметрии, а также верность описания ею физического мира. Как заявила 27 августа 2011 года профессор Ливерпульского университета Тара Ширс^[en], эксперименты не подтвердили основные положения теории^[12][13]. При этом Тара Шиарс уточнила, что не нашла подтверждения и упрощенная версия теории суперсимметрии, однако полученные результаты не опровергают более сложный вариант теории.

К концу 2012 года на детекторе LHCb Большого адронного коллайдера была накоплена статистика по распаду странного B-мезона на два мюона^[14]. Предварительные результаты совпали с прогнозом Стандартной модели: (3,66 ± 0,23)⋅10^-9, тогда как ее суперсимметричное расширение прогнозирует более высокую вероятность распада. Весной 2015 года коллаборации LHCb и CMS объединили свои данные по распаду странного B-мезона на мюон-антимюонную пару и получили вероятность распада 2,8+0,7
−0,6⋅10^-9 с уровнем статистической значимости 6,2 σ. Таким образом, вероятность этого крайне редкого события статистически достоверна и хорошо согласуется с предсказанием Стандартной модели.^[15].

Результаты проверки электрического дипольного момента электрона (2013) также не подтвердили варианты суперсимметричных теорий^[16].

Тем не менее суперсимметричные теории могут быть подтверждены другими экспериментами, в частности, наблюдениями за распадом нейтрального B⁰-мезона.^[17]. После перезапуска весной 2015 года, БАК планирует начать работу на мощности 13 ТэВ и продолжит поиск отклонений от статистических предсказаний Стандартной модели.^[18][19].

Отсутствие экспериментальных данных подтверждающих теорию суперсимметрии привело к появлению критиков данной теории даже среди бывших энтузиастов суперсимметрии. Так теоретик Михаил Шифман еще в октябре 2012 опубликовал критическую статью^[20]. В статье он прямо написал, что теория суперсимметрии бесперспективна, что от нее надо отказаться ради новых идей и ради нового поколения физиков-теоретиков (чтобы они не стали потерянным поколением).

Частицы-суперпартнеры?

Если бы суперссиметрия была точной симметрией природы, мы бы уже нашли множество суперпартнеров.

Перед тем, как следовать далее, давайте вспомним, какие нам известны элементарные частицы.


Рис. 1

На рис. 1 показано, какие частицы существовали бы в мире, если бы Стандартная Модель была дополнена точной суперсимметрией.

• Для каждого фермиона материи, например, электрона или странного кварка, есть две новые частицы – обе бозоны. Имена у них довольно уродливые, сэлектрон и странный скварк, где «с» означает суперсимметрию. Вы можете спросить, почему их по две (и почему для каждого нейтрино всего по одной). Обратитесь к рис. 3 ниже, и вам должно все стать понятно.
• Для бозонов-переносчиков взаимодействий имеются партнеры-фермионы. У фотона есть фотино, у глюонов – глюино, и т.д. С массивными W-бозонами все чуть сложнее. У них есть партнер вино [wino], а также партнер Хиггс, по имени H+ (Внимание! Эту частицу нельзя путать с частицей H+, появляющейся в статье, в которой рассказывается, что было бы со Стандартной Моделью, если бы поле Хиггса было нулевым. К сожалению, в физике частиц с именованием частиц есть постоянная проблема – букв не хватает). У всех этих частиц точно такая же масса, в этом воображаемом суперсимметричном мире.
• В этой модели есть две частицы Хиггса, h0 и H0, и у каждой есть партнер хиггсино. Одна безмассовая, вторая массивная. Почему две? Оказывается, в суперсимметричном мире необходимо наличие двух частиц для того, чтобы у верхних и нижних кварков масса появлялась обычным способом. Второй аргумент – два хиггсино необходимы для математической непротиворечивости.

Но, очевидно, что этот идеально суперсимметричный мир – не наш. Как показано на рисунке, в таком мире частицы и их суперпартнеры:

• Точно так же взаимодействуют с другими частицами и их суперпартнерами.
• Обладают точно такой же массой.

Рис. 3

Реалистичный возможный мир такого типа – возможно, похожий на наш – показан на рис. 3. Вы видите, что нарушение суперсимметрии (то, что она прячется и ее нелегко обнаружить) увеличило масштаб масс всех суперпартнеров так, что вся массовая шкала находится выше массы верхнего кварка. И это не так искусственно или глупо, как кажется – математика с готовностью принимает этот эффект. Существует множество точных примеров того, как это может произойти – но их слишком много для того, чтобы мы догадались, какой из них наиболее вероятен.

В этом вероятном мире, показанном мною для вас, я сделал несколько произвольных допущений, но они довольно часто встречаются в подробных примерах нарушения суперсимметрии, изучаемых физиками-теоретиками, и мною в том числе:

• Скварки и глюино получили большую массу.
• Слептоны и снейтрино получили большую массу, но, вероятно, чуть меньшую, чем скварки и глюино.
• Вино, зино, фотино и хиггино замешались в набор электрически заряженных частиц, чарджино, и электрически нейтральных частиц, нейтралино, некоторые из которых, вероятно, немногим более массивные, чем W и Z.
• Пять частиц Хиггса обладают широчайшим спектром масс, хотя по меньшей мере одна из них довольно легкая.

И это не единственная схема, способная возникнуть при нарушении суперсимметрии! Существует большое количество других возможностей, которые я буду называть вариантами суперсимметрии. Но представленный мною вариант – наиболее популярный среди теоретиков и экспериментаторов, особенно в Европе (в США он менее популярен, про другие места я не знаю). Этой популярности есть веские причины; оказывается, что существует несколько независимых способов получить схему, сходную с этой. Однако популярность всегда порождает предвзятость, а нам необходимо рассматривать все возможности, не делая предположений касательно этих аргументов.

Но если суперпартнеры очень массивные, не может ли получиться так, что мы не сможем произвести ни одного из них в ближайшие десятилетия или даже столетия? Не занимаемся ли мы подсчетом количества ангелов, способных уместиться на кончике иглы? Из всего вышеизложенного пока действительно следует, что такой риск существует. Однако есть и более тонкий аргумент в пользу наличия суперсимметрии, благодаря которому у многих физиков есть надежда на то, что все эти суперпартнеры находятся в пределах досягаемости Большого адронного коллайдера. Это следует из того факта, что суперсимметрия решила бы проблему иерархии – одну из величайших загадок нашего мира.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Стандартная модель
• Теория струн
• Нерешенные проблемы современной физики

Исследование, описанное в статье про суперсимметрия, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое суперсимметрия, симметрия ферми-бозе и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Атомная и Ядерная физика