Supersymetrie neboli Fermi-Boseova symetrie je hypotetická symetrie , která v přírodě spojuje bosony a fermiony [1] . Abstraktní supersymetrická transformace spojuje bosonická a fermionická kvantová pole, takže se mohou vzájemně proměnit. Obrazně můžeme říci, že transformace supersymetrie může převést hmotu na interakci (nebo na záření ) a naopak.
Supersymetrie zahrnuje zdvojnásobení (alespoň) počtu známých elementárních částic díky přítomnosti superpartnerů. Pro foton - fotino , kvark - squark , higgs - higgsino , W-boson - víno , gluon - gluino a tak dále. Superpartneři musí mít hodnotu rotace, která je o polovinu celého čísla odlišná od hodnoty rotace původní částice [2] [3] .
Supersymetrie je fyzikální hypotéza, která nebyla experimentálně potvrzena. Je naprosto prokázáno, že náš svět není supersymetrický ve smyslu přesné symetrie, protože v každém supersymetrickém modelu musí mít fermiony a bosony spojené supersymetrickou transformací stejnou hmotnost , náboj a další kvantová čísla (s výjimkou spinu ). Tento požadavek není splněn pro částice známé v přírodě. Předpokládá se však, že existuje energetický limit, za kterým pole podléhají supersymetrickým transformacím, ale nikoli v rámci limitu. V tomto případě se superpartnerské částice běžných částic ukáží jako velmi těžké ve srovnání s běžnými částicemi [4] .
Hledání superpartnerů obyčejných částic je jedním z hlavních úkolů moderní fyziky vysokých energií [4] . Očekává se, že Velký hadronový urychlovač [5] bude schopen objevit a prozkoumat supersymetrické částice, pokud existují, nebo zpochybnit supersymetrické hypotézy, pokud se nic nenajde.
Supersymetrii poprvé navrhli v roce 1973 rakouský fyzik Julius Wess a italský fyzik Bruno Zumino k popisu jaderných částic [6] [7] . Matematický aparát teorie objevili ještě dříve, v letech 1971–1972, sovětští fyzikové Jurij Golfand a Evgeny Likhtman [8] z FIAN , stejně jako Dmitrij Volkov a Vladimir Akulov [9] [10] [11] z KIPT . Supersymetrie nejprve vznikla v souvislosti s verzí teorie strun, kterou navrhli Pierre Ramon, John Schwartz a André Neveu, ale algebra supersymetrie byla později úspěšně použita v jiných oblastech fyziky.
Hlavní fyzikální model moderní fyziky vysokých energií, Standardní model , není supersymetrický, ale může být rozšířen na supersymetrickou teorii. Minimální supersymetrické rozšíření standardního modelu se nazývá „minimální supersymetrický standardní model“ (MSSM). V MSSM je třeba přidat další pole, aby se vytvořil supersymetrický multiplet s každým polem standardního modelu. Pro hmotná fermionová pole - kvarky a leptony - musíte zavést skalární pole - squarky a sleepony , dvě pole pro každé pole Standardního modelu. Pro vektorová bosonická pole — gluony , fotony , W- a Z-bosony — jsou zavedena fermionová pole gluino , fotino , zino a víno , také dvě pro každý stupeň volnosti Standardního modelu. Chcete-li prolomit elektroslabou symetrii v MSSM, musíte zavést 2 Higgsovy dublety (v obvyklém Standardním modelu je zaveden jeden Higgsův dublet), to znamená, že v MSSM vzniká 5 Higgsových stupňů volnosti - nabitý Higgsův boson (2 stupně volnosti) , lehký a těžký skalární Higgsův boson a pseudoskalární Higgsův boson.
V každé realistické supersymetrické teorii musí existovat sektor, který naruší supersymetrii. Nejpřirozenějším porušením supersymetrie je zavedení tzv. měkkých lomových termínů do modelu. V současné době se zvažuje několik variant porušení supersymetrie .
První verze MSSM byla navržena v roce 1981 americkými fyziky Howardem Georgim a Savasem Dimopoulosem .
Teorie, které zahrnují supersymetrii, poskytují příležitost vyřešit několik problémů, které jsou součástí standardního modelu:
Bez ohledu na existenci supersymetrie v přírodě se matematický aparát supersymetrických teorií ukazuje být užitečný v různých oblastech fyziky. Zejména supersymetrická kvantová mechanika umožňuje najít přesná řešení vysoce netriviálních Schrödingerových rovnic . Supersymetrie se ukazuje být užitečná v některých problémech statistické fyziky (například supersymetrický sigma model).
Supersymetrická kvantová mechanika se liší od kvantové mechaniky tím, že na rozdíl od kvantové teorie pole zahrnuje superalgebru SUSY. Supersymetrická kvantová mechanika se často stává relevantní při studiu dynamiky supersymetrických solitonů a vzhledem ke zjednodušené povaze polí, která jsou závislá na čase (spíše než na časoprostoru), byl v tomto přístupu učiněn velký pokrok a teorie je nyní studována v své vlastní právo.
Kvantová mechanika SUSY zvažuje dvojice hamiltoniánů, které jsou v určitém matematickém vztahu, nazývané partnerské hamiltoniany . A odpovídající podmínky potenciální energie zahrnuté v Hamiltoniánech jsou pak známé jako partnerské potenciály . Hlavní věta ukazuje, že pro každý vlastní stav jednoho hamiltoniána má jeho hamiltonovský partner odpovídající vlastní stav se stejnou energií. Z této skutečnosti lze odvodit mnoho vlastností spektra vlastních hodnot. To je analogie s novým popisem SUSY, který odkazoval na bosony a fermiony. Lze si představit „bosonického Hamiltoniána“, jehož vlastní stavy jsou různé bosony naší teorie. A SUSY partnerem tohoto Hamiltoniána bude "fermion" a jeho vlastní stavy budou fermiony teorie. Každý boson bude mít fermionového partnera se stejnou energií.
Koncept SUSY se ukázal jako užitečný pro některé aplikace semiklasických aproximací . Kromě toho je SUSY aplikován na systémy s průměrovanou poruchou, kvantovou i nekvantovou (přes statistickou mechaniku ), Fokker-Planckova rovnice je příkladem nekvantové teorie. "Supersymetrie" ve všech těchto systémech vychází ze skutečnosti, že je modelována jedna částice, a tak "statistiky" jsou irelevantní. Použití metody supersymetrie poskytuje matematicky přesnou alternativu k metodě replik , ale pouze v neinteragujících systémech, které se snaží vyřešit takzvaný „problém jmenovatele“ při zprůměrování přes nepořádek. Více o aplikacích supersymetrie ve fyzice kondenzovaných látek viz Efetov (1997) [15] .
V roce 2011 byla na Velkém hadronovém urychlovači (LHC) provedena série experimentů , během kterých byly testovány zásadní závěry teorie supersymetrie a také správnost jejího popisu fyzického světa. Jak uvedla 27. srpna 2011 profesorka University of Liverpool Tara Shears , experimenty nepotvrdily hlavní ustanovení teorie [16] [17] . Tara Shears zároveň upřesnila, že se nepotvrdila ani zjednodušená verze teorie supersymetrie, ale získané výsledky nevyvracejí složitější verzi teorie.
Do konce roku 2012 byly na LHCb detektoru Velkého hadronového urychlovače nashromážděny statistiky o rozpadu podivného B-mezonu na dva miony [18] . Předběžné výsledky odpovídaly předpovědi Standardního modelu (3,66 ± 0,23)⋅10-9 , zatímco jeho supersymetrické rozšíření předpovídá vyšší pravděpodobnost rozpadu. Na jaře 2015 spolupráce LHCb a CMS spojila svá data o rozpadu podivného B mezonu do páru mion-antimion a získala pravděpodobnost rozpadu 2,8+0,7
−0,6⋅10 -9 s hladinou statistické významnosti 6,2 σ. Pravděpodobnost této extrémně vzácné události je tedy statisticky významná a dobře souhlasí s predikcí standardního modelu. [19] .
Výsledky kontroly elektrického dipólového momentu elektronu (2013) také nepotvrdily varianty supersymetrických teorií [20] .
Nicméně supersymetrické teorie mohou být potvrzeny dalšími experimenty, zejména pozorováním rozpadu neutrálního B 0 mezonu. [21] . Po restartu na jaře 2015 plánuje LHC zahájit provoz na 13 TeV a pokračovat v hledání odchylek od statistických předpovědí Standardního modelu. [22] [23] .
Nedostatek experimentálních dat potvrzujících teorii supersymetrie vedl k tomu, že se objevili kritici této teorie i mezi bývalými nadšenci supersymetrie. Takže teoretik Michail Shifman publikoval kritický článek již v říjnu 2012 [24] . V článku přímo psal, že teorie supersymetrie nemá perspektivu, že je třeba ji opustit kvůli novým myšlenkám a kvůli nové generaci teoretických fyziků (aby se z nich nestala ztracená generace).
| Částice ve fyzice | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| základní částice |
| ||||||||||||
| Kompozitní částice |
| ||||||||||||
| Fyzika nad rámec standardního modelu | |
|---|---|
| Důkaz | |
| teorie | |
| supersymetrie | |
| kvantová gravitace | |
| Experimenty | |