Supersymmetri , eller Fermi-Bose symmetri , är en hypotetisk symmetri som förbinder bosoner och fermioner i naturen [1] . Den abstrakta supersymmetritransformationen länkar samman de bosoniska och fermioniska kvantfälten så att de kan förvandlas till varandra. Figurativt kan vi säga att transformationen av supersymmetri kan översätta materia till interaktion (eller till strålning ) och vice versa.
Supersymmetri innebär att (minst) antalet kända elementarpartiklar fördubblas på grund av närvaron av superpartners. För en foton - foton , kvark - kvark , higgs - higgsino , W-boson - vin , gluon - gluino och så vidare. Superpartners måste ha ett spin -värde som är ett halvt heltal som skiljer sig från spin-värdet för den ursprungliga partikeln [2] [3] .
Supersymmetri är en fysisk hypotes som inte har bekräftats experimentellt. Det är absolut fastställt att vår värld inte är supersymmetrisk i betydelsen exakt symmetri, eftersom i vilken supersymmetrisk modell som helst måste fermioner och bosoner som är förbundna med en supersymmetrisk transformation ha samma massa , laddning och andra kvanttal (med undantag för spin ). Detta krav är inte uppfyllt för partiklar som är kända i naturen. Det antas dock att det finns en energigräns bortom vilken fälten är föremål för supersymmetriska transformationer, men inte inom gränsen. I det här fallet visar sig superpartnerpartiklarna av vanliga partiklar vara mycket tunga jämfört med vanliga partiklar [4] .
Sökandet efter superpartners till vanliga partiklar är en av huvuduppgifterna för modern högenergifysik [4] . Det förväntas att Large Hadron Collider [5] kommer att kunna upptäcka och undersöka supersymmetriska partiklar, om de finns, eller så att man kan tvivla på supersymmetriska hypoteser om inget hittas.
Supersymmetri föreslogs först 1973 av den österrikiske fysikern Julius Wess och den italienske fysikern Bruno Zumino för att beskriva kärnpartiklar [6] [7] . Teorins matematiska apparat upptäcktes ännu tidigare, 1971–1972, av de sovjetiska fysikerna Yuri Golfand och Evgeny Likhtman [8] från FIAN , samt Dmitrij Volkov och Vladimir Akulov [9] [10] [11] från KIPT . Supersymmetri uppstod först i samband med versionen av strängteorin som föreslagits av Pierre Ramon, John Schwartz och André Neveu, men supersymmetrialgebra användes senare framgångsrikt inom andra fysikområden.
Den huvudsakliga fysiska modellen för modern högenergifysik, Standardmodellen , är inte supersymmetrisk, men kan utvidgas till en supersymmetrisk teori. Den minimala supersymmetriska förlängningen av standardmodellen kallas "minimal supersymmetrisk standardmodell" (MSSM). I MSSM måste ytterligare fält läggas till för att bygga en supersymmetrisk multiplett med varje fält i standardmodellen. För materiella fermionfält - kvarkar och leptoner - måste du introducera skalära fält - squarks och sleeponer , två fält för varje fält i standardmodellen. För vektorbosoniska fält - gluoner , fotoner , W- och Z-bosoner - introduceras fermionfälten gluino , photino , zino och vin , även två för varje frihetsgrad i standardmodellen. För att bryta elektrosvag symmetri i MSSM behöver du introducera 2 Higgs -dubletter (i den vanliga standardmodellen introduceras en Higgs-dublett), det vill säga 5 Higgs-frihetsgrader uppstår i MSSM - en laddad Higgs-boson (2 frihetsgrader) , en lätt och tung skalär Higgs boson och en pseudoskalär boson Higgs.
I varje realistisk supersymmetrisk teori måste det finnas en sektor som bryter supersymmetri. Den mest naturliga kränkningen av supersymmetri är införandet av så kallade mjuka brytande termer i modellen. Flera varianter av supersymmetribrytning övervägs för närvarande .
Den första versionen av MSSM föreslogs 1981 av de amerikanska fysikerna Howard Georgi och Savas Dimopoulos .
Teorier som inkluderar supersymmetri ger en möjlighet att lösa flera problem som är inneboende i standardmodellen:
Oavsett förekomsten av supersymmetri i naturen visar sig den matematiska apparaten för supersymmetriska teorier vara användbar inom olika fysikområden. Speciellt gör supersymmetrisk kvantmekanik det möjligt att hitta exakta lösningar på mycket icke-triviala Schrödinger-ekvationer . Supersymmetri visar sig vara användbar i vissa problem inom statistisk fysik (till exempel den supersymmetriska sigmamodellen).
Supersymmetrisk kvantmekanik skiljer sig från kvantmekanik genom att den inkluderar SUSY superalgebra, i motsats till kvantfältteorin. Supersymmetrisk kvantmekanik blir ofta relevant när man studerar dynamiken hos supersymmetriska solitoner, och på grund av den förenklade karaktären hos fälten, som är beroende av tid (snarare än rumstid), har stora framsteg gjorts i detta tillvägagångssätt och teorin studeras nu i sin egen rätt.
SUSY kvantmekanik tar hänsyn till par av Hamiltonianer som är i ett visst matematiskt förhållande, kallade partner Hamiltonians . Och motsvarande termer för den potentiella energin som ingår i Hamiltonianerna är då kända som partnerpotentialer . Huvudsatsen visar att för varje egentillstånd hos en Hamiltonian har dess Hamiltonska partner ett motsvarande egentillstånd med samma energi. Detta faktum kan användas för att härleda många egenskaper hos egenvärdesspektrat. Detta är analogt med den nya beskrivningen av SUSY, som hänvisade till bosoner och fermioner. Man kan tänka sig en "bosonisk Hamiltonian" vars egentillstånd är de olika bosonerna i vår teori. Och SUSY-partnern till denna Hamiltonian kommer att vara "fermion", och dess egentillstånd kommer att vara teorins fermioner. Varje boson kommer att ha en fermionpartner med lika energi.
Konceptet SUSY har visat sig användbart för vissa tillämpningar av semiklassiska approximationer . Dessutom tillämpas SUSY på system med genomsnittlig störning, både kvant- och icke-kvantum (via statistisk mekanik ), Fokker-Planck-ekvationen är ett exempel på en icke-kvantteori. "Supersymmetrin" i alla dessa system uppstår från det faktum att en enda partikel modelleras, och därför är "statistiken" irrelevant. Användningen av supersymmetrimetoden ger ett matematiskt rigoröst alternativ till replikmetoden , men endast i icke-interagerande system, som försöker lösa det så kallade "nämnarproblemet" när man beräknar medelvärde över oordning. För mer om tillämpningar av supersymmetri i kondenserad materiens fysik, se Efetov (1997) [15] .
Under 2011 utfördes en serie experiment vid Large Hadron Collider (LHC), under vilka de grundläggande slutsatserna av supersymmetriteorin testades, såväl som riktigheten av dess beskrivning av den fysiska världen. Som uttalades den 27 augusti 2011 av professor vid University of Liverpool Tara Shears bekräftade experimenten inte teorins huvudbestämmelser [16] [17] . Samtidigt klargjorde Tara Shears att den förenklade versionen av supersymmetriteorin inte heller bekräftades, men de erhållna resultaten motbevisar inte en mer komplex version av teorin.
I slutet av 2012 samlades statistik på sönderfallet av en konstig B-meson till två myoner vid LHCb -detektorn hos Large Hadron Collider [18] . Preliminära resultat matchade standardmodellens förutsägelse av (3,66 ± 0,23)⋅10 -9 , medan dess supersymmetriska förlängning förutsäger en högre sannolikhet för sönderfall. Våren 2015 kombinerade LHCb- och CMS -samarbetena sina data om sönderfallet av den märkliga B-mesonen till ett myon-antimuonpar och fick en sönderfallssannolikhet på 2,8+0,7
-0,6⋅10 -9 med en statistisk signifikansnivå på 6,2 σ. Sannolikheten för denna extremt sällsynta händelse är alltså statistiskt signifikant och stämmer väl överens med standardmodellens förutsägelse. [19] .
Resultaten av att kontrollera elektronens elektriska dipolmoment (2013) bekräftade inte heller varianterna av supersymmetriska teorier [20] .
Ändå kan supersymmetriska teorier bekräftas av andra experiment, i synnerhet observationer av sönderfallet av den neutrala B 0 -mesonen. [21] . Efter att ha startat om våren 2015 planerar LHC att börja arbeta vid 13 TeV och fortsätta att leta efter avvikelser från standardmodellens statistiska förutsägelser. [22] [23] .
Bristen på experimentella data som bekräftar teorin om supersymmetri ledde till uppkomsten av kritiker av denna teori även bland tidigare supersymmetrientusiaster. Så teoretikern Mikhail Shifman publicerade en kritisk artikel redan i oktober 2012 [24] . I artikeln skrev han direkt att teorin om supersymmetri inte har några utsikter, att den måste överges för nya idéers skull och för en ny generation teoretiska fysikers skull (så att de inte blir en förlorad generation).
| Partiklar i fysiken | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| grundläggande partiklar |
| ||||||||||||
| Kompositpartiklar _ |
| ||||||||||||
| Fysik bortom standardmodellen | |
|---|---|
| Bevis | |
| teorier | |
| supersymmetri | |
| kvantgravitation | |
| Experiment | |