En Higgs-boson forfalder i denne kollision registreret af ATLAS-detektoren den 18. maj 2012.
(Billede: © ATLAS)
Paul M. Sutter er en astrofysiker ved SUNY Stony Brook og Flatiron Institute, vært Spørg en Spaceman og Space Radio, og forfatter af "Dit sted i universet."Sutter bidrog med denne artikel til Space.com's ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Symmetrier i naturen styrker vores grundlæggende forståelse af kosmos, fra tyngdekrafts universalitet til enhed af naturkræfter ved høje energier.
I 1970'erne afslørede fysikere en potentiel symmetri, der samlede alle slags partikler i vores univers, fra elektronerne til fotonerne og alt derimellem. Denne forbindelse, kendt som supersymmetri, er afhængig af den underlige kvanteegenskab ved spin, og har potentielt nøglen til at låse op for en ny forståelse af fysik.
Symmetrier er magt
I århundreder har symmetri tilladt fysikere at finde underliggende forbindelser og grundlæggende relationer i hele universet. Hvornår Isaac Newton først klikket på ideen om, at tyngdekraften, der trækker et æble fra et træ, er nøjagtigt den samme kraft, der holder månen i kredsløb omkring solen, opdagede han en symmetri: tyngdekraften er virkelig universel. Denne indsigt gjorde det muligt for ham at gøre et enormt spring i forståelsen af, hvordan naturen fungerer.
Gennem 1800-tallet forundrede fysikere verden over de underlige egenskaber ved elektricitet, magnetisme og stråling. Hvad fik elektrisk strøm til at strømme ned ad en ledning? Hvordan kunne en roterende magnet skubbe den samme strøm rundt? Var lys en bølge eller en partikel? Tiår med vanskelig overvejelse kulminerede med et rent matematisk gennembrud af James Clerk Maxwell, der forenede alle disse forskellige grene af undersøgelser under et enkelt sæt enkle ligninger: elektromagnetisme.
Albert Einstein markerede sig også ved at tage Newtons indsigt et skridt videre. Han tager højdepunktet, at alle fysiske love skulle være ens uanset din position eller hastighed, afslørede han særlig relativitet; forestillingerne om tid og rum måtte omskrives for at bevare denne symmetri af naturen. Og tilføjelse af tyngdekraften til den blanding førte ham til generel relativitet, vores moderne forståelse af denne styrke.
Selv vores konserveringslove - bevarelse af energi, bevaring af fart og så videre - afhænger af symmetri. Det faktum, at du kan køre et eksperiment dag efter dag og få det samme resultat afslører en symmetri gennem tiden, der gennem det matematiske geni af Emmy Noether fører til loven om samtale om energi. Og hvis du henter dit eksperiment og flytter det hen over rummet og stadig får det samme resultat, afslørede du bare en symmetri gennem rummet og den tilsvarende bevarelse af momentum.
Et roterende spejl
I den makroskopiske verden opsummerer det næsten alle de symmetrier, vi er stødt på i naturen. Men den subatomære verden er en anden historie. De grundlæggende partikler i vores univers har en interessant egenskab kendt som "spin". Det blev først opdaget i eksperimenter, der skød atomer gennem et varieret magnetfelt, hvilket fik deres stier til at afbøje nøjagtigt på samme måde som en spinding, elektrisk ladet metalkugle.
Men subatomære partikler roterer ikke, elektrisk ladede metalkugler; de fungerer bare som dem i visse eksperimenter. Og i modsætning til deres analoge regulære verdener kan subatomære partikler ikke have den rotationsmængde, de ønsker. I stedet får hver slags partikel sin egen unikke mængde spin.
Af forskellige uklare matematiske grunde får nogle partikler som elektronet et omdrejningstal på ½, mens andre partikler som fotonen får et omdrejningspunkt på 1. Hvis du undrer dig over, hvordan en foton muligvis kan opføre sig som en spin-ladet metalkugle, så sved det ikke for meget; du er fri til bare at tænke på "spin" som endnu en egenskab af subatomære partikler, som vi er nødt til at holde styr på, som deres masse og ladning. Og nogle partikler har mere af denne egenskab, og andre har mindre.
Generelt er der to store "familier" af partikler: dem med halvt heltal (1/2, 3/2, 5/2 osv.) Spin, og dem med heltal (0, 1, 2 osv.) .) spin. Halvfjerdserne kaldes "fermioner" og består af byggestenene i vores verden: elektroner, kvarker, neutrinoer og så videre. Wholsies kaldes "bosoner" og er bærere af naturens kræfter: fotoner, gluoner og resten.
Ved første øjekast kunne disse to partikelfamilier umuligt være forskellige.
Symfoni af spartikler
I 1970'erne streng teoretikere begyndte at se kritisk på denne egenskab ved spin og begyndte at spekulere på, om der måske var en symmetri af naturen der. Ideen ekspanderede hurtigt uden for strengefællesskabet og blev et aktivt forskningsområde på tværs af partikelfysik. Hvis det er sandt, ville denne "supersymmetri" forene disse to tilsyneladende forskellige familier af partikler. Men hvordan ville denne supersymmetri se ud?
Den grundlæggende kerne er, at i supersymmetri ville enhver fermion have en "superpartnerpartikel" (eller "spartikel" for kort - og navnene bliver kun værre) i boson-verdenen, og omvendt, med nøjagtigt samme masse og oplad, men en anden spin.
Men hvis vi kigger efter spartiklerne, finder vi ikke nogen. For eksempel skal elektronets spartikel ("selektronet") have den samme masse og ladning som elektronet, men en drejning på 1.
Denne partikel findes ikke.
Så på en eller anden måde skal denne symmetri brydes i vores univers og køre masserne af spartiklerne uden for vores partikelkollideres rækkevidde. Der er mange forskellige måder at opnå supersymmetri på, alle forudsiger forskellige masser for selektronerne, stopkvarkerne, sneutrinoerne og alle andre.
Indtil videre er der ikke fundet bevis for supersymmetri og eksperimenter ved Stor Hadron Collider har udelukket de enkleste supersymmetriske modeller. Selvom det ikke er helt det sidste søm i kisten, skraber teoretikere på hovedet, spekulerer på, om supersymmetri ikke rigtig findes i naturen, og hvad vi skal tænke på næste, hvis vi ikke kan finde noget.
- Universet: Big Bang til nu i 10 nemme trin
- 'Supergravity' teoretikere vinder $ 3 millioner fysik gennembrudspris
- Mystiske partikler, der spyr fra Antarktis, trodser fysik
Lær mere ved at lytte til episoden "Er strengteori værd? (Del 4: Det, vi har brug for, er en superhelt)" på Ask A Spaceman-podcast, tilgængelig den iTunes, og på Internettet kl http://www.askaspaceman.com. Tak til 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. for de spørgsmål, der førte til dette stykke! Stil dit eget spørgsmål på Twitter ved hjælp af #AskASpaceman, eller ved at følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter. Følg os på Twitter @Spacedotcom eller Facebook.
