სუპერსიმეტრია

ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

                            სუპერსიმეტრია

სიმულირებული დიდი ადრონული კოლაიდერის CMS ნაწილაკების დეტექტორის მონაცემები, რომლებიც ასახავს ჰიგსის ბოზონს, რომელიც წარმოიქმნება შეჯახების შედეგად პროტონების დაშლის შედეგად ჰადრონის ჭავლებში და ელექტრონებში

სუპერსიმეტრია, ან ფერმი-ბოზის სიმეტრია, არის ჰიპოთეტური სიმეტრია, რომელიც აკავშირებს ბუნებაში ბოზონებსა და ფერმიონებს. სუპერსიმეტრიის აბსტრაქტული ტრანსფორმაცია აწყვილებს ბოზონურ და ფერმიონულ კვანტურ ველებს ისე, რომ ისინი ერთმანეთს გარდაიქმნან. ფიგურალურად შეგვიძლია ვთქვათ, რომ სუპერსიმეტრიის ტრანსფორმაციას შეუძლია მატერიის გადაქცევა ურთიერთქმედებად (ან გამოსხივებად) და პირიქით.

სუპერსიმეტრია ვარაუდობს ცნობილი ელემენტარული ნაწილაკების რაოდენობის გაორმაგებას (მინიმუმ) სუპერპარტნიორების არსებობის გამო. ფოტონისთვის ეს არის ფოტინო, კვარკი არის კვერქი, ჰიგსი არის ჰიგსინო, W ბოზონი არის ღვინო, გლუონი არის გლუინო და ა.შ. სუპერპარტნიორებს უნდა ჰქონდეთ სპინის მნიშვნელობა, რომელიც არის ნახევრად მთელი რიცხვის განსხვავება საწყისი ნაწილაკების სპინის მნიშვნელობიდან.

მიუხედავად ფართო ძიებისა, სუპერსიმეტრიული ნაწილაკები არასოდეს იქნა ნაპოვნი.

                                                  ისტორია

სუპერსიმეტრია პირველად შემოგვთავაზეს 1973 წელს ავსტრიელმა ფიზიკოსმა იულიუს უესმა და იტალიელმა ფიზიკოსმა ბრუნო ზუმინომ ბირთვული ნაწილაკების აღსაწერად. თეორიის მათემატიკური აპარატი აღმოაჩინეს უფრო ადრე, 1971–1972 წლებში, საბჭოთა ფიზიკოსებმა იური გოლფანდმა და ევგენი ლიხტმანმა ლებედევის ფიზიკური ინსტიტუტიდან, ასევე დიმიტრი ვოლკოვმა და ვლადიმერ აკულოვმა ხარკოვის ფიზიკისა და ტექნოლოგიების ინსტიტუტიდან. სუპერსიმეტრია პირველად წარმოიშვა პიერ რამონდის, ჯონ შვარცისა და ანდრე ნევეუს მიერ შემოთავაზებული სიმების თეორიის ვერსიის კონტექსტში, მაგრამ სუპერსიმეტრიის ალგებრა მას შემდეგ წარმატებით გამოიყენება ფიზიკის სხვა სფეროებში.

სტანდარტული მოდელის სუპერსიმეტრიული გაფართოება

თანამედროვე მაღალი ენერგიის ფიზიკის ფუნდამენტური ფიზიკური მოდელი, სტანდარტული მოდელი, არ არის სუპერსიმეტრიული, მაგრამ შეიძლება გავრცელდეს სუპერსიმეტრიულ თეორიაზე. სტანდარტული მოდელის მინიმალურ სუპერსიმეტრიულ გაფართოებას ეწოდება "მინიმალური სუპერსიმეტრიული სტანდარტული მოდელი" (MSSM). MSSM-ში უნდა დაემატოს დამატებითი ველები, რათა ავაშენოთ სუპერსიმეტრიული მულტიპლეტი სტანდარტული მოდელის თითოეულ ველთან. მატერიალური ფერმიონის ველებისთვის - კვარკები და ლეპტონები - აუცილებელია შემოვიტანოთ სკალარული ველები - სკუარკები და სლეპტონები, სტანდარტული მოდელის თითოეული ველისთვის ორი ველი. ვექტორული ბოზონის ველებისთვის - გლუონები, ფოტონები, W და Z ბოზონები - შემოყვანილია ფერმიონის ველები გლუინო, ფოტინო, ცინო და ვინო, ასევე ორი სტანდარტული მოდელის თავისუფლების თითოეული ხარისხისთვის. MSSM-ში ელექტროსუსტი სიმეტრიის დასარღვევად აუცილებელია 2 ჰიგსის დუბლის შემოღება (ჩვეულებრივ სტანდარტულ მოდელში შემოდის ერთი ჰიგსის დუბლი), ანუ MSSM-ში წარმოიქმნება თავისუფლების 5 გრადუსი - დამუხტული ჰიგსის ბოზონი (თავისუფლების 2 გრადუსი), მსუბუქი და მძიმე სკალარული ჰიგსის ფსუდ ბოზონი და ჰიგსის ბოზონი.

ნებისმიერი რეალისტური სუპერსიმეტრიული თეორია უნდა შეიცავდეს სუპერსიმეტრიის დამრღვევ სექტორს. სუპერსიმეტრიის ყველაზე ბუნებრივი დარღვევაა მოდელში ეგრეთ წოდებული soft breaking ტერმინების დანერგვა. სუპერსიმეტრიის დარღვევის რამდენიმე შესაძლო მიზეზი ამჟამად განიხილება.

SUGRA - სუპერსიმეტრიის დარღვევა გრავიტაციასთან ურთიერთქმედების საფუძველზე;

GMSB - დარღვევა დამატებითი ლიანდაგის ველებთან ურთიერთქმედების გამო (სტანდარტული მოდელის ჯგუფის მიხედვით გადასახადებით);

AMSB არის დარღვევა, რომელიც ასევე იყენებს ურთიერთქმედებას გრავიტაციასთან, მაგრამ კონფორმალური ანომალიების გამოყენებით.

MSSM-ის პირველი ვერსია 1981 წელს შემოგვთავაზეს ამერიკელმა ფიზიკოსებმა ჰოვარდ გეორგიმ და სავას დიმოპულოსმა.

სუპერსიმეტრიის იდეის უპირატესობები

თეორიები, რომლებიც მოიცავს სუპერსიმეტრიას, იძლევა სტანდარტული მოდელის თანდაყოლილი რამდენიმე პრობლემის გადაჭრის გზას:

იერარქიის პრობლემის გადაჭრა. მისი ერთ-ერთი გამოვლინებაა ჰიგსის ბოზონის მასის რადიაციული კორექტირების სიდიდე. სტანდარტული მოდელის ფარგლებში, სკალარული ველის მასის შესწორებებს აქვს კვადრატული ფორმა და აღმოჩნდება, რომ მნიშვნელოვნად აღემატება ლაგრანგის ველის მასას. ასეთი შესწორებების შესამცირებლად ჰიგსის მასაზე, სტანდარტული მოდელის პარამეტრებს უნდა ჰქონდეს ძალიან ზუსტად განსაზღვრული მნიშვნელობები. MSSM-ში, ფერმიონის და სკალარული მასების შესწორებები ლოგარითმულია და უფრო ბუნებრივად იშლება, მაგრამ მოითხოვს ზუსტ სუპერსიმეტრიას. გარდა ამისა, იერარქიის პრობლემის ეს გადაწყვეტა ვარაუდობს, რომ სუპერპარტნიორების მასები არ შეიძლება იყოს რამდენიმე ასეულ გევ-ზე მეტი. ეს არგუმენტი საშუალებას გვაძლევს ველოდოთ სუპერსიმეტრიის აღმოჩენას LHC კოლაიდერზე.

ლიანდაგის გაშვებული მუდმივების გაერთიანება. ცნობილია, რომ ლიანდაგის თეორიებში წარმოიქმნება გაშვებული დაწყვილების მუდმივის ფენომენი, ანუ ურთიერთქმედების მუდმივის მნიშვნელობა იცვლება ენერგიის მასშტაბის მიხედვით, რომელზედაც შეინიშნება ურთიერთქმედება. სტანდარტული მოდელი ეფუძნება სამ განსხვავებულ ჯგუფს. ამ ჯგუფების მუდმივთა მნიშვნელობები განსხვავებულია დაბალი ენერგიების დროს და ისინი იცვლება ენერგიის მატებასთან ერთად. დაახლოებით 100 გევ ენერგეტიკულ დონეზე, ორი მუდმივი იდენტური ხდება (ელექტრული სუსტი გაერთიანების ფენომენი). 1016 გევ ენერგეტიკულ დონეზე, სამივე მუდმივი კონვერგირდება დაახლოებით ერთსა და იმავე მნიშვნელობამდე, მაგრამ სტანდარტულ მოდელში ისინი ვერ გახდებიან ერთმანეთის ტოლი. ანუ, მკაცრად რომ ვთქვათ, სტანდარტული მოდელის ფარგლებში „დიდი გაერთიანება“ (ელექტრული სუსტი და ძლიერი ურთიერთქმედების) შეუძლებელია. ახალი MSSM ველების გამო შესწორებები ცვლის მუდმივების ენერგეტიკული ევოლუციის ფორმას, ისე რომ ისინი შეიძლება ერთ წერტილში გადაიზარდოს.

ბნელი მატერია. ბოლო წლებში ასტროფიზიკაში შეინიშნება ისეთი ფენომენები, რომლებიც ბნელი მატერიის არსებობაზე მიუთითებს. MSSM-ში ამ ფენომენის ახსნის ბუნებრივი კანდიდატი ჩნდება: ნეიტრალინო, ნეიტრალური სტაბილური ნაწილაკი.

პრობლემები სუპერსიმეტრიის იდეასთან

ველების რაოდენობის გაორმაგება.

μ-ტერმინის პრობლემა.

რბილი წევრებისა და A- მასების არომატული მრავალფეროვნება.

CP-დარღვევის ფაზების სიმცირე.

სუპერსიმეტრიის მათემატიკური აპარატის გამოყენება

ბუნებაში სუპერსიმეტრიის არსებობის მიუხედავად, სუპერსიმეტრიული თეორიების მათემატიკური აპარატი გამოსადეგი აღმოჩნდება ფიზიკის მრავალფეროვან სფეროებში. კერძოდ, სუპერსიმეტრიული კვანტური მექანიკა საშუალებას გაძლევთ იპოვოთ ზუსტი ამონახსნები შრედინგერის უაღრესად არატრივიალური განტოლებების შესახებ. სუპერსიმეტრიაგამოდის, რომ ის სასარგებლოა სტატისტიკური ფიზიკის ზოგიერთ პრობლემაში (მაგალითად, სუპერსიმეტრიული სიგმა მოდელი).

სუპერსიმეტრიული კვანტური მექანიკა

მთავარი სტატია: სუპერსიმეტრიული კვანტური მექანიკა

სუპერსიმეტრიული კვანტური მექანიკა განსხვავდება კვანტური მექანიკისგან იმით, რომ ის მოიცავს SUSY სუპერალგებრას, ველის კვანტური თეორიისგან განსხვავებით. სუპერსიმეტრიული კვანტური მექანიკა ხშირად ხდება აქტუალური სუპერსიმეტრიული სოლიტონების დინამიკის შესწავლისას და ველების გამარტივებული ბუნების გამო, რომლებიც დამოკიდებულია დროზე (და არა სივრცე-დროზე), ამ მიდგომაში დიდი პროგრესი იქნა მიღწეული და თეორია ახლა შესწავლილია თავისთავად.

SUSY კვანტური მექანიკა განიხილავს ჰამილტონიელთა წყვილებს, რომლებიც გარკვეულ მათემატიკური ურთიერთობაში არიან, რომლებსაც პარტნიორ ჰამილტონიელები უწოდებენ. და შესაბამისი პოტენციური ენერგიის ტერმინები, რომლებიც შედის ჰამილტონიანებში, მაშინ ცნობილია, როგორც პარტნიორის პოტენციალი. მთავარი თეორემა გვიჩვენებს, რომ ერთი ჰამილტონიელის ყოველი საკუთრივ მდგომარეობა, მის პარტნიორ ჰამილტონიანს აქვს შესაბამისი საკუთრება იგივე ენერგიით. ეს ფაქტი შეიძლება გამოყენებულ იქნას საკუთარი მნიშვნელობის სპექტრის მრავალი თვისების გამოსატანად. ეს არის SUSY-ის ახალი აღწერილობის მსგავსი, რომელიც ეხება ბოზონებსა და ფერმიონებს. შეიძლება წარმოვიდგინოთ "ბოზონური ჰამილტონიანი", რომლის საკუთრივ მდგომარეობა არის ჩვენი თეორიის სხვადასხვა ბოზონები. და ამ ჰამილტონიანის SUSY პარტნიორი იქნება "ფერმიონი", ხოლო მისი საკუთრივ მდგომარეობა იქნება თეორიის ფერმიონები. თითოეულ ბოზონს ეყოლება ფერმიონური პარტნიორი თანაბარი ენერგიით.

სუპერსიმეტრია შედედებული მატერიის ფიზიკაში

SUSY კონცეფცია სასარგებლო აღმოჩნდა ნახევარკლასიკური მიახლოებების ზოგიერთი გამოყენებისთვის. გარდა ამისა, SUSY გამოიყენება საშუალო აშლილობის მქონე სისტემებზე, როგორც კვანტურ, ისე არაკვანტურ (სტატისტიკური მექანიკის საშუალებით), ფოკერ-პლანკის განტოლება არის არაკვანტური თეორიის მაგალითი. ყველა ამ სისტემაში „სუპერსიმეტრია“ წარმოიქმნება იმის გამო, რომ ერთი ნაწილაკი მოდელირებულია და ამიტომ „სტატისტიკას“ მნიშვნელობა არ აქვს. სუპერსიმეტრიის მეთოდის გამოყენება იძლევა რეპლიკა მეთოდის მათემატიკურად მკაცრ ალტერნატივას, მაგრამ მხოლოდ არაურთიერთქმედების სისტემებში, რომელიც ცდილობს გადაჭრას ეგრეთ წოდებული „მნიშვნელის პრობლემა“ საშუალო აშლილობის აღებისას. დამატებითი დეტალებისთვის სუპერსიმეტრიის გამოყენების შესახებ შედედებული მატერიის ფიზიკაში იხილეთ ეფეტოვი (1997).

ექსპერიმენტული გადამოწმება

2011 წელს ჩატარდა ექსპერიმენტების სერია დიდ ადრონულ კოლაიდერზე (LHC) სუპერსიმეტრიის თეორიის ფუნდამენტური დასკვნების შესამოწმებლად, ასევე ფიზიკური სამყაროს მისი აღწერის სიზუსტის შესამოწმებლად. როგორც ტარა შირსმა, ლივერპულის უნივერსიტეტის პროფესორმა, განაცხადა 2011 წლის 27 აგვისტოს, ექსპერიმენტებმა არ დაადასტურა თეორიის ძირითადი პრინციპები. ამავდროულად, ტარა შირსმა განმარტა, რომ მან ვერ იპოვა სუპერსიმეტრიის თეორიის გამარტივებული ვერსიის დადასტურება, მაგრამ მიღებული შედეგები არ უარყოფს თეორიის უფრო რთულ ვერსიას.

2012 წლის ბოლოს, LHCb დეტექტორმა დიდ ადრონულ კოლაიდერში დააგროვა სტატისტიკა უცნაური B მეზონის ორ მიონად დაშლის შესახებ. წინასწარი შედეგები დაემთხვა სტანდარტული მოდელის პროგნოზს: (3,66 ± 0,23)⋅10-9, ხოლო მისი სუპერსიმეტრიული გაფართოება პროგნოზირებს დაშლის უფრო მაღალ ალბათობას. 2015 წლის გაზაფხულზე, LHCb და CMS კოლაბორაციებმა გააერთიანა თავიანთი მონაცემები უცნაური B მეზონის დაშლის შესახებ მიონ-ანტიმუონურ წყვილში და მიიღეს დაშლის ალბათობა 2,8+0,7.

-0,6⋅10-9 სტატისტიკური მნიშვნელობის დონით 6,2 σ. ამრიგად, ამ უკიდურესად იშვიათი მოვლენის ალბათობა სტატისტიკურად მნიშვნელოვანია და კარგად ეთანხმება სტანდარტული მოდელის პროგნოზს.

ელექტრონის ელექტრული დიპოლური მომენტის ტესტირების შედეგებმა (2013) ასევე არ დაადასტურა სუპერსიმეტრიული თეორიების ვარიანტები.

თუმცა, სუპერსიმეტრიული თეორიები შეიძლება დადასტურდეს სხვა ექსპერიმენტებით, კერძოდ, ნეიტრალური B0 მეზონის დაშლის დაკვირვებით. 2015 წლის გაზაფხულზე მისი გადატვირთვის შემდეგ, LHC გეგმავს მუშაობას 13 TeV-ზე და განაგრძოს სტანდარტული მოდელის სტატისტიკური პროგნოზებიდან გადახრების ძიება.სუპერსიმეტრიის თეორიის მხარდასაჭერად ექსპერიმენტული მონაცემების ნაკლებობამ განაპირობა ამ თეორიის კრიტიკოსების გაჩენა სუპერსიმეტრიის ყოფილ ენთუზიასტებშიც კი. ამრიგად, თეორეტიკოსმა მიხაილ შიფმანმა გამოაქვეყნა კრიტიკული სტატია ჯერ კიდევ 2012 წლის ოქტომბერში. სტატიაში ის პირდაპირ წერდა, რომ სუპერსიმეტრიის თეორია უპერსპექტივოა, რომ იგი უნდა მიტოვდეს ახალი იდეების და ახალი თაობის თეორიული ფიზიკოსების გულისთვის (რომ ისინი არ გახდნენ დაკარგული თაობა).

იხ.ვიდეო - Главная надежда теоретической физики 21 века: СУПЕРСИММЕТРИЯ | физик АЛЕКСЕЙ СЕМИХАТОВ