Supersymmetri , eller Fermi-Bose symmetri , er en hypotetisk symmetri , der forbinder bosoner og fermioner i naturen [1] . Den abstrakte supersymmetritransformation forbinder de bosoniske og fermioniske kvantefelter, så de kan blive til hinanden. Billedligt kan vi sige, at transformationen af supersymmetri kan omsætte stof til interaktion (eller til stråling ) og omvendt.
Supersymmetri involverer fordobling (mindst) antallet af kendte elementarpartikler på grund af tilstedeværelsen af superpartnere. For en foton - photino , quark - squark , higgs - higgsino , W-boson - vin , gluon - gluino og så videre. Superpartnere skal have en spin-værdi, der er et halvt heltal forskellig fra spin-værdien af den oprindelige partikel [2] [3] .
Supersymmetri er en fysisk hypotese, der ikke er blevet bekræftet eksperimentelt. Det er absolut fastslået, at vores verden ikke er supersymmetrisk i betydningen eksakt symmetri, da i enhver supersymmetrisk model skal fermioner og bosoner forbundet med en supersymmetrisk transformation have samme masse , ladning og andre kvantetal (med undtagelse af spin ). Dette krav er ikke opfyldt for partikler kendt i naturen. Det antages dog, at der er en energigrænse, ud over hvilken felterne er underlagt supersymmetriske transformationer, men ikke inden for grænsen. I dette tilfælde viser superpartnerpartiklerne af almindelige partikler sig at være meget tunge sammenlignet med almindelige partikler [4] .
Søgen efter superpartnere af almindelige partikler er en af hovedopgaverne for moderne højenergifysik [4] . Det forventes, at Large Hadron Collider [5] vil være i stand til at opdage og undersøge supersymmetriske partikler, hvis de findes, eller så tvivl om supersymmetriske hypoteser, hvis intet findes.
Supersymmetri blev først foreslået i 1973 af den østrigske fysiker Julius Wess og den italienske fysiker Bruno Zumino for at beskrive nukleare partikler [6] [7] . Teoriens matematiske apparat blev opdaget endnu tidligere, i 1971-1972, af de sovjetiske fysikere Yuri Golfand og Evgeny Likhtman [8] fra FIAN , samt Dmitry Volkov og Vladimir Akulov [9] [10] [11] fra KIPT . Supersymmetri opstod først i forbindelse med den version af strengteori, der blev foreslået af Pierre Ramon, John Schwartz og André Neveu, men supersymmetrialgebra blev senere med succes brugt i andre områder af fysikken.
Den vigtigste fysiske model for moderne højenergifysik, Standardmodellen , er ikke supersymmetrisk, men kan udvides til en supersymmetrisk teori. Den minimale supersymmetriske udvidelse af standardmodellen kaldes "minimal supersymmetrisk standardmodel" (MSSM). I MSSM skal der tilføjes yderligere felter for at bygge en supersymmetrisk multiplet med hvert felt i standardmodellen. For materielle fermionfelter - kvarker og leptoner - skal du introducere skalarfelter - squarks og sleeponer , to felter for hvert felt i standardmodellen. For vektorbosoniske felter - gluoner , fotoner , W- og Z-bosoner - introduceres fermionfelterne gluino , photino , zino og vin , også to for hver frihedsgrad i standardmodellen. For at bryde elektrosvag symmetri i MSSM skal du introducere 2 Higgs dubletter (i den sædvanlige standardmodel introduceres en Higgs dublet), det vil sige, at der opstår 5 Higgs frihedsgrader i MSSM - en ladet Higgs boson (2 frihedsgrader) , en let og tung skalar Higgs boson og en pseudoskalær boson Higgs.
I enhver realistisk supersymmetrisk teori skal der være en sektor, der bryder supersymmetri. Den mest naturlige krænkelse af supersymmetri er indførelsen af såkaldte soft breaking-termer i modellen. Flere varianter af supersymmetribrud overvejes i øjeblikket .
Den første version af MSSM blev foreslået i 1981 af de amerikanske fysikere Howard Georgi og Savas Dimopoulos .
Teorier, der inkluderer supersymmetri, giver mulighed for at løse flere problemer, der er iboende i standardmodellen:
Uanset eksistensen af supersymmetri i naturen, viser det matematiske apparat af supersymmetriske teorier sig at være nyttigt inden for forskellige fysikområder. Især gør supersymmetrisk kvantemekanik det muligt at finde nøjagtige løsninger på meget ikke-trivielle Schrödinger-ligninger . Supersymmetri viser sig at være nyttig i nogle problemer inden for statistisk fysik (for eksempel den supersymmetriske sigma-model).
Supersymmetrisk kvantemekanik adskiller sig fra kvantemekanik ved, at den inkluderer SUSY superalgebraen, i modsætning til kvantefeltteori. Supersymmetrisk kvantemekanik bliver ofte relevant, når man studerer dynamikken i supersymmetriske solitoner, og på grund af felternes forsimplede karakter, som er tids (snarere end rumtid) afhængige, er der gjort store fremskridt i denne tilgang, og teorien studeres nu i sin egen ret.
SUSY kvantemekanik overvejer par af Hamiltonianere, der er i et bestemt matematisk forhold, kaldet partner Hamiltonians . Og de tilsvarende udtryk for den potentielle energi inkluderet i Hamiltonianerne er så kendt som partnerpotentialer . Hovedsætningen viser, at for hver egentilstand af en Hamiltonianer har dens Hamiltonianer en tilsvarende egentilstand med samme energi. Dette faktum kan bruges til at udlede mange egenskaber af egenværdispektret. Dette er analogt med den nye beskrivelse af SUSY, som refererede til bosoner og fermioner. Man kan forestille sig en "bosonisk Hamiltonianer", hvis egentilstande er de forskellige bosoner i vores teori. Og SUSY-partneren til denne Hamiltonianer vil være "fermion", og dens egentilstande vil være teoriens fermioner. Hver boson vil have en fermionpartner med samme energi.
Konceptet SUSY har vist sig nyttigt til nogle anvendelser af semiklassiske tilnærmelser . Derudover anvendes SUSY på systemer med gennemsnitlig uorden, både kvante- og ikke-kvante (via statistisk mekanik ), Fokker-Planck-ligningen er et eksempel på en ikke-kvanteteori. "Supersymmetrien" i alle disse systemer opstår fra det faktum, at en enkelt partikel bliver modelleret, og derfor er "statistikken" irrelevant. Brugen af supersymmetrimetoden giver et matematisk stringent alternativ til replikametoden , men kun i ikke-interagerende systemer, som forsøger at løse det såkaldte "nævnerproblem", når man tager et gennemsnit over uorden. For mere om anvendelsen af supersymmetri i kondenseret stofs fysik, se Efetov (1997) [15] .
I 2011 blev der udført en række eksperimenter ved Large Hadron Collider (LHC), hvorunder de grundlæggende konklusioner af supersymmetri-teorien blev testet, såvel som rigtigheden af dens beskrivelse af den fysiske verden. Som anført den 27. august 2011 af professor ved University of Liverpool Tara Shears bekræftede eksperimenterne ikke teoriens hovedbestemmelser [16] [17] . Samtidig præciserede Tara Shears, at den forenklede version af supersymmetriteorien heller ikke blev bekræftet, men de opnåede resultater modbeviser ikke en mere kompleks version af teorien.
Ved udgangen af 2012 blev statistikker over henfaldet af en mærkelig B-meson til to myoner akkumuleret ved LHCb- detektoren af Large Hadron Collider [18] . Foreløbige resultater matchede standardmodellens forudsigelse på (3,66 ± 0,23)⋅10 -9 , mens dens supersymmetriske forlængelse forudsiger en højere sandsynlighed for henfald. I foråret 2015 kombinerede LHCb- og CMS -samarbejdet deres data om henfaldet af den mærkelige B-meson til et muon-antimuon-par og opnåede en henfaldssandsynlighed på 2,8+0,7
-0,6⋅10 -9 med et statistisk signifikansniveau på 6,2 σ. Sandsynligheden for denne ekstremt sjældne hændelse er således statistisk signifikant og stemmer godt overens med forudsigelsen af standardmodellen. [19] .
Resultaterne af kontrol af elektronens elektriske dipolmoment (2013) bekræftede heller ikke varianterne af supersymmetriske teorier [20] .
Ikke desto mindre kan supersymmetriske teorier bekræftes af andre eksperimenter, især observationer af henfaldet af den neutrale B 0 meson. [21] . Efter genstart i foråret 2015 planlægger LHC at begynde at operere ved 13 TeV og fortsætte med at lede efter afvigelser fra standardmodellens statistiske forudsigelser. [22] [23] .
Manglen på eksperimentelle data, der bekræfter teorien om supersymmetri, førte til fremkomsten af kritikere af denne teori, selv blandt tidligere supersymmetri-entusiaster. Så teoretikeren Mikhail Shifman publicerede en kritisk artikel tilbage i oktober 2012 [24] . I artiklen skrev han direkte, at teorien om supersymmetri ikke har nogen udsigter, at den skal opgives af hensyn til nye ideer og af hensyn til en ny generation af teoretiske fysikere (så de ikke bliver en tabt generation).
| Partikler i fysik | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| fundamentale partikler |
| ||||||||||||
| Sammensatte partikler |
| ||||||||||||
| Fysik ud over standardmodellen | |
|---|---|
| Beviser | |
| teorier | |
| supersymmetri | |
| kvantetyngdekraften | |
| Eksperimenter | |