En Higgs-boson forfaller i denne kollisjonen registrert av ATLAS-detektoren 18. mai 2012.
(Bilde: © ATLAS)
Paul M. Sutter er en astrofysiker ved SUNY Stony Brook og Flatiron Institute, vert Spør en Spaceman og Space Radio, og forfatter av "Din plass i universet."Sutter bidro denne artikkelen til Space.coms ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Symmetrier i naturen styrker vår grunnleggende forståelse av kosmos, fra tyngdekraften til universaliteten naturkrefter ved høye energier.
På 1970-tallet avdekket fysikere en potensiell symmetri som forente alle slags partikler i vårt univers, fra elektronene til fotonene og alt derimellom. Denne forbindelsen, kjent som supersymmetri, er avhengig av den rare kvanteegenskapen til spinn, og har potensielt nøkkelen til å låse opp en ny forståelse av fysikk.
Symmetrier er kraft
I århundrer har symmetrier tillatt fysikere å finne underliggende forbindelser og grunnleggende forhold i hele universet. Når Isaac Newton først klikket på ideen om at tyngdekraften som trekker et eple fra et tre er nøyaktig den samme kraften som holder månen i bane rundt solen, oppdaget han en symmetri: tyngdelovene er virkelig universelle. Denne innsikten tillot ham å gjøre et enormt sprang i å forstå hvordan naturen fungerer.
Gjennom 1800-tallet forundret fysikere over hele verden seg over de rare egenskapene elektrisitet, magnetisme og stråling. Hva fikk elektrisk strøm til å strømme nedover en ledning? Hvordan kan en spinnmagnet skyve den samme strømmen rundt? Var lys en bølge eller en partikkel? Tiår med vanskelig grubling kulminerte med et rent matematisk gjennombrudd av James Clerk Maxwell, som forente alle disse distinkte grenene av undersøkelser under et enkelt sett med enkle ligninger: elektromagnetisme.
Albert Einstein markerte seg også ved å ta Newtons innsikt et skritt videre. Han tok for å maksimere at alle fysiske lover skal være de samme uavhengig av din posisjon eller hastighet, avslørte han spesiell relativitet; forestillinger om tid og rom måtte omskrives for å bevare denne symmetrien av naturen. Og å legge tyngdekraften til den blandingen førte ham til generell relativitet, vår moderne forståelse av den styrken.
Til og med vår bevaringslover - bevaring av energi, bevaring av fart og så videre - er avhengig av symmetri. Det at du kan kjøre et eksperiment dag etter dag og få samme resultat, avslører en symmetri gjennom tid, som gjennom det matematiske geniet til Emmy Noether fører til loven om samtale om energi. Og hvis du tar opp eksperimentet og flytter det over rommet og fremdeles får det samme resultatet, avdekket du bare en symmetri gjennom verdensrommet, og den tilsvarende bevaring av fart.
Et spinnende speil
I den makroskopiske verden oppsummerer det omtrent alle symmetrier som vi har opplevd i naturen. Men den subatomære verdenen er en annen historie. De grunnleggende partiklene av vårt univers ha en interessant egenskap kjent som "spinn." Det ble først oppdaget i eksperimenter som skjøt atomer gjennom et variert magnetfelt, noe som fikk banene deres til å bøyes på nøyaktig samme måte som en spinnende, elektrisk ladet metallkule.
Men subatomære partikler snurrer ikke, elektrisk ladede metallkuler; de oppfører seg som dem i visse eksperimenter. Og i motsetning til deres vanlige verdensanaloger, kan ikke subatomære partikler ha den rotasjonsmengden de ønsker. I stedet får hver type partikkel sin egen unike mengde spinn.
Av forskjellige uklare matematiske grunner, kan noen partikler som elektronet ha et snurr på ½, mens andre partikler som fotonet får et spinn på 1. Hvis du lurer på hvordan et foton muligens kan oppføre seg som en spinnladd metallkule, så ikke svette det for mye; du står fritt til å bare tenke på "spinn" som enda en egenskap av subatomære partikler som vi må følge med på, som deres masse og ladning. Og noen partikler har mer av denne egenskapen, og noen har mindre.
Generelt er det to flotte "familier" av partikler: de med halvt heltall (1/2, 3/2, 5/2, etc.) snurr, og de med hel-heltall (0, 1, 2, osv.) .) snurre rundt. Halfsies kalles "fermions" og består av byggesteinene i vår verden: elektroner, kvarker, nøytrinoer og så videre. Wholsies kalles "bosoner" og er bærere av naturkreftene: fotoner, gluoner og resten.
Ved første øyekast kunne disse to partikelfamiliene umulig være forskjellige.
Symfoni av spartikler
På 1970-tallet strengteoretikere begynte å se kritisk på denne egenskapen til spinn og begynte å lure på om det kan være en symmetri av naturen der. Ideen utvidet seg raskt utenfor strengsamfunnet og ble et aktivt forskningsområde på tvers av partikkelfysikk. Hvis sant, ville denne "supersymmetrien" forene disse to tilsynelatende forskjellige familiene med partikler. Men hvordan ville denne supersymmetrien se ut?
Den grunnleggende essensen er at i supersymmetri, ville hver fermion ha en "superpartnerpartikkel" (eller "spartikkel" for kort - og navnene vil bare bli verre) i boson-verdenen, og omvendt, med nøyaktig samme masse og lader men et annet spinn.
Men hvis vi leter etter spartiklene, finner vi ingen. For eksempel bør spartikkelen til elektronet ("selektronet") ha samme masse og ladning som elektronet, men en spinn på 1.
Den partikkelen eksisterer ikke.
Så, på en eller annen måte, må denne symmetrien brytes i universet vårt, og føre opp massene av spartiklene utenfor rekkevidden til våre partikkeloppsamlere. Det er mange forskjellige måter å oppnå supersymmetri på, alle forutsier forskjellige masser for selektronene, stoppkvarkene, sneutrinoene og alle andre.
Til dags dato har ingen bevis for supersymmetri blitt funnet, og eksperimenter ved Stor Hadron Collider har utelukket de enkleste supersymmetriske modellene. Selv om det ikke er helt den siste spikeren i kisten, klør teoretikerne i hodet, lurer på om supersymmetri ikke virkelig finnes i naturen, og hva vi bør tenke på videre hvis vi ikke finner noe.
- Universet: Big Bang til nå i 10 enkle trinn
- 'Supergravity' teoretikere vinner $ 3 millioner Physics Breakthrough Prize
- Mystiske partikler som spyr fra Antarktis, trosser fysikk
Lær mer ved å lytte til episoden "Er strengteori verdt det? (Del 4: Det vi trenger er en superhelt)" på Ask A Spaceman-podcasten, tilgjengelig på iTunes, og på nettet kl http://www.askaspaceman.com. Takk 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 spørsmålene som førte til dette stykket! Still ditt eget spørsmål på Twitter ved å bruke #AskASpaceman, eller ved å følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter. Følg oss på Twitter @Spacedotcom eller Facebook.
