Selle kokkupõrke korral laguneb Higgsi boson, mille ATLAS-detektor registreeris 18. mail 2012.
(Pilt: © ATLAS)
Paul M. Sutter on astrofüüsik SUNY Stony Brookis ja Flatironi instituudis, peremees Küsi kosmosemehelt ja Kosmoseraadioja raamatu "autor"Sinu koht universumis."Sutter tegi selle artikli kaastöötajaks Space.comi eksperthääled: op-ed ja teadmised.
Looduses esinevad sümmeetriad mõjutavad meie põhjalikku arusaamist kosmosest, alates gravitatsiooni universaalsusest kuni kosmose ühendamiseni loodusjõud kõrgete energiate juures.
Füüsikud avastasid 1970. aastatel potentsiaalse sümmeetria, mis ühendas kõikvõimalikke osakesi meie universumis, elektronidest footoniteks ja kõigeks nende vahel. See ühendus, mida nimetatakse supersümmeetria, tugineb spinni kummalisele kvantomadusele ja hoiab potentsiaalselt võtmetähtsusega uue füüsika mõistmist.
Sümmeetriad on jõud
Sajandeid on sümmeetriad võimaldanud füüsikutel leida kogu universumis alusühendusi ja põhilisi suhteid. Millal Isaac Newton klõpsanud kõigepealt mõttel, et raskus, mis tõmbab õuna puu otsast, on täpselt sama jõud, mis hoiab Kuu päikese ümber orbiidil, avastas ta sümmeetria: gravitatsiooniseadused on tõeliselt universaalsed. See arusaam võimaldas tal teha tohutu hüppe looduse toimimise mõistmisel.
Kogu 1800-ndate aastate vältel olid füüsikud kogu maailmas hämmingus elektri, magnetismi ja kiirguse imelike omaduste üle. Mis põhjustas elektrivoolu juhtme allavoolu? Kuidas saaks pöörlev magnet sama voolu ümber suruda? Kas valgus oli laine või osake? Aastakümnete pikkune raske mõtisklemine kulmineerus puhta matemaatilise läbimurrega James Clerk Maxwelli poolt, kes ühendas kõik need erinevad uurimise haru ühe lihtsa võrrandi komplekti abil: elektromagnetism.
Albert Einstein tegi ka oma jälje, astudes Newtoni teadmisi sammu võrra kaugemale. Võttes maksimumi, et kõik füüsikalised seadused peaksid olema ühesugused, sõltumata teie asendist või kiirusest, paljastas ta eriline relatiivsus; selle looduse sümmeetria säilitamiseks tuli aja ja ruumi mõisted ümber kirjutada. Ja sellele segule gravitatsiooni lisamine viis ta üldrelatiivsus, meie tänapäevane arusaam sellest jõust.
Isegi meie looduskaitseseadused - energia säästmine, impulsi säilitamine ja nii edasi - sõltuvad sümmeetriast. Fakt, et saate katseid päevast päeva läbi viia ja sama tulemuse saada, näitab sümmeetriat läbi aja, mis läbi matemaatilise geeniuse Emmy Noether viib energia vestluse seadusele. Ja kui te valite oma katse ja liigutate seda üle ruumi ja saate ikkagi sama tulemuse, siis katkestasite lihtsalt ruumi läbiva sümmeetria ja vastava hoo säilitamise.
Ketruspeegel
Makroskoopilises maailmas võtab see peaaegu kõik looduses kokku puutunud sümmeetriad kokku. Kuid subatomilises maailmas on hoopis teine lugu. Alusosakesed meie universum teil on huvitav vara, mida tuntakse kui spinni. Esmalt avastati katsetes, mis tulistasid aatomeid läbi mitmekesise magnetvälja, põhjustades nende teede ümbersuunamise täpselt samal viisil, nagu pöörleva, elektrilaenguga metallkuul.
Kuid subatomilised osakesed ei pöörle, elektriliselt laetud metallkuulid; teatud katsetes käituvad nad lihtsalt nagu nemad. Ja erinevalt nende tavalise maailma analoogidest ei saa subatomaatilistel osakestel olla soovitud pöörlemiskiirust. Iga osake saab selle asemel oma kordumatu koguse keerutust.
Erinevatel varjatud matemaatilistel põhjustel on mõnede osakeste, nagu näiteks elektron, spinni väärtus ½, teiste osakeste, näiteks footoni, spinni väärtus on 1. Kui teil on huvi, kuidas footon võiks käituda nagu keerlev laetud metallpall, siis ärge higistage seda liiga palju; võite vabalt mõelda "keerutamisele" kui veel ühele aatomiaatomite osakeste omadusele, mille üle peame silma peal hoidma, näiteks nende mass ja laeng. Ja mõnel osakesel on seda omadust rohkem ja mõnel vähem.
Üldiselt on osakeste kahte suurt perekonda: poolte täisarvuga (1/2, 3/2, 5/2 jne) pöörlevaid ja täisarvuga (0, 1, 2 jne) keerduvaid osakesi. .) spin. Poolkujusid nimetatakse "fermioonideks" ja need koosnevad meie maailma ehitusplokkidest: elektronid, kvargid, neutriinod ja nii edasi. Pihlakaid nimetatakse bosoonideks ja need on loodusjõudude kandjad: footonid, gluoonid ja muu.
Esmapilgul ei saanud need kaks osakeste perekonda olla üksteisest erinevad.
Spartaalide sümfoonia
1970ndatel keelteoreetikud hakkas seda keerutamisomadust kriitiliselt vaatama ja hakkas mõtlema, kas seal võiks olla looduse sümmeetria. Idee laienes kiiresti väljaspool keelte ringkonda ja sai osakeste füüsika aktiivseks uurimisvaldkonnaks. Kui see on tõsi, ühendaks see "supersümmeetria" neid kahte näiliselt erinevat osakeste perekonda. Kuid kuidas see supersümmeetria välja näeks?
Põhiline mõte on see, et üldsümmeetria korral oleks igal fermioonil bosonimaailmas "superpartner osake" (või lühidalt "sparticle" - ja nimed lähevad ainult halvemaks) ja vastupidi, täpselt sama massiga ja laadige, kuid erinev keerutus.
Kuid kui läheme spartakaid otsima, ei leia me neid. Näiteks elektroni spartikkel ("selektron") peaks olema sama mass ja laengu kui elektron, kuid spinn peaks olema 1.
Seda osakest pole olemas.
Nii et kuidagi tuleb see sümmeetria meie universumis murda, juhtides osakeste masse ülespoole meie osakeste põrkepiirkonda. Supersümmeetria saavutamiseks on palju erinevaid viise, mis kõik ennustavad selektronite, stoppkvarkide, sneutrinode ja kõigi teiste jaoks erinevaid masse.
Siiani pole supersümmeetria kohta mingeid tõendeid leitud ja eksperimentaalkeskuses tehtud katsed Suur hadronikolonder on välistanud kõige lihtsamad supersümmeetrilised mudelid. Kuigi see pole päris viimane kirst kirstudes, kraapivad teoreetikud pead, mõtlesin, kas looduses pole tegelikult üldsümmeetriat ja mida peaksime järgmisena mõtlema, kui me midagi ei leia.
- Universum: suur pauk praeguseks 10 lihtsa sammuga
- „Supergravitatsiooni” teoreetikud võidavad 3 miljoni dollari suuruse füüsika läbimurde auhinna
- Antarktikast pärit salapärased osakesed trotsivad füüsikat
Lisateavet saate episoodi kuulates "Kas keelteooria on seda väärt? (4. osa: Vajame superkangelast)" saidil Ask A Spaceman, mis on saadaval saidil iTunesja veebis aadressil http://www.askaspaceman.com. Tänu 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. küsimustele, mis selle tüki juurde viisid! Esitage Twitteris oma küsimus, kasutades #AskASpaceman või Paulit jälgides @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter. Jälgi meid Twitteris @Spacedotcom või Facebook.
