SupersimetrieMarea descoperire a acceleratorului de particule LHC a fost, desigur, bosonul Higgs. Dar cei de la LHC au şi alte preocupări. Ei caută indicii privind validitatea unei teorii cunoscută sub numele de supersimetrie. Dar ce o fi şi asta? Haideţi să aflăm!

 

 

 

Vom vorbi în acest articol despre efectele descoperirii bosonului Higgs, particula care dă masă celorlalte particule. Acesta pare a fi momentul de glorie al fizicii. Practic am validat experimental toate caracteristicile "Modelului Standard" al particulelor fundamentale. Am descoperit fiecare particulă din model, fără a omite vreuna. Totuşi, nu e momentul să fim mulţumiţi de realizările noastre. Mai sunt încă multe întrebări ce nu şi-au găsit încă un răspuns.

Se poate să fi auzit câte ceva despre o teorie care se bucură de popularitate, cunoscută sub numele de supersimetrie (sau "SUSY," pentru cunoscători). Există multe discuţii în ceea ce priveşte posibilitatea validităţii lui SUSY, inclusiv ce ţin tocmai de descoperirea bosonului Higgs. Aşa că, astăzi vom afla:

De ce este supersimetria extraordinară?


O grădină zoologică a particulelor

Lumea particulelor elementare este plină de entităţi cu nume haioase, cum ar fi quarcurile sau gluonii, dar, până la urmă, cele mai importante distincţii dintre particule se fac prin ordonarea lor concisă în două clase – fermioni şi bosoni. Fermionii sunt particulele mai bine cunoscute nouă: electroni, quarcuri, neutrini etc. Acestea sunt particulele care alcătuiesc materia. De exemplu, quarcurile intră în compoziţia protonilor şi neutronilor, particule care sunt, la rândul lor, tot fermioni. Pe de altă parte, bosonii sunt particulele care intermediază acţiunea forţelor fundamentale: fotoni, bosonii W şi Z, gluonii şi Higgs.

Diferenţa dintre cele două grupe de particule se rezumă la o proprietate ciudată cunoscută sub denumirea de spin. Toate particulele cunoscute sunt caracterizate de o valoare caracteristică lor, cunoscută, a spinului. Toate, cu excepţia bosonului Higgs. Fermionii au spinul egal cu ½ (jumătate din numărul cunoscut drept "constanta redusă a lui Planck"), în timp ce spinul bosonilor este un număr întreg. Pentru că bosonul Higgs are spin zero, iar zero este un număr întreg, bosonul Higgs a fost plasat în clasa bosonilor. 

Aceste diferenţe par a fi lipsite de importanţă, lucruri pentru care numai un fizician tocilar s-ar entuziasma, dar ele au consecinţe uriaşe. Distincţia apare atunci când schimbi o particulă cu alta de exact acelaşi tip. Dacă schimbi doi bosoni, atunci funcţia de undă cuantică a Universului este multiplicată cu +1 (total nemodificată), dar dacă faci acelaşi lucru cu fermionii, vei obţine o multiplicare cu -1.

Aceasta este cea mai importantă diferenţă dintre cele două clase de particule. Acel -1 este responsabil pentru ceea ce numim "principiul de excluziune al lui Pauli", care stă la baza a tot ce există, de la cele mai simple noţiuni de chimie până la comportamentul piticelor albe. 



Dar ce legătură are asta cu bosonul Higgs?


Bosonul Higgs joacă un rol destul de important în situaţia amintită mai sus. Aţi observat cât de entuziasmaţi au fost fizicienii la descoperirea lui? A fost ca atunci când ar fi găsit proverbialul ac din carul cu fân. 

Noi eram destul de încrezători că bosonul Higgs va fi descoperit. Acesta reprezintă una din componentele cheie ale Modelului Standard, absolut esenţială pentru a explica de ce forţa slabă era aşa de slabă. De asemenea, cu ajutorul bosonului Higgs se explică şi mecanismul care dă masă particulelor. Cum aşa? Pentru că Higgs interacţionează cu absolut orice.

Doar că aceste interacţiuni sunt reciproce. Să ne amintim cea de-a treia lege a lui Newton, care spune că "oricărei acţiuni i se opune o reacţiune egală şi opusă ca sens." Deoarece cuvântul "interacţiune" este doar un mod sofisticat de a spune "energie", iar energia şi masa sunt interschimbabile (E=mc2), bosonul Higgs nu doar dă masă altor particule, dar capătă şi masă de la acestea. Partea ciudată este că acele contribuţii din cadrul masei bosonului Higgs provenind de la alte particule pot mări sau micşora masa sa totală. Masa bosonului Higgs pe care o măsurăm la LHC nu este neapărat masa reală pe care acesta ar avea-o dacă noi am putea ignora efectele acelor interacţiuni.

O analogie: situaţia în care ne ducem la doctor, iar doctorul ne dă voie să ne lăsăm hainele pe noi când ne cântărim. Orice masă ar indica ecranul cântarului, aceasta este, în fapt, ceva mai mare decât masa reală a pacientului. Pentru a calcula masa pacientului dezbrăcat trebuie scăzută masa hainelor.

Una din caracteristicile ciudate ale Universului este faptul că particulele şi antiparticulele iau naştere încontinuu. Fenomenul este de regulă nedetectabil, pentru că aceste particule dispar foarte repede. Dar atunci când ele interacţionează cu alte particule, acele interacţiuni pot cauza mărirea (sau micşorarea) energiei respectivelor particule (sau ceea ce măsurăm noi ca fiind masa).

În cazul bosonului Higgs, această corecţie ar trebui să fie uriaşă, de obicei de ordinul masei Planck, o masă incredibil de mare (la standardele particulelor) şi care se află la limitele capacităţilor noastre de a împăca relativitatea generală cu mecanica cuantică.

Pentru a vă oferi şi nişte valori, să presupunem că masa reală a bosonului Higgs este un număr de forma 2,430,000,000,000,000,125 GeV, iar interacţiunea cu electroni şi pozitroni ar putea-o micşora cu 2,430,000,000,000,000,000 GeV. Astfel, noi am observa o valoare de doar 125 GeV.

Faptul că numerele sunt cât pe ce să se potrivească, dar nu se potrivesc exact, este un lucru greu de acceptat dacă punem totul pe seama şansei. Ar însemna atunci că adevărata masă a bosonului Higgs ar trebui să fie incredibil de bine aleasă pentru ca masa reală şi corecţia aproape să se anuleze reciproc (dar nu perfect), cu o diferenţă de ordinul 1 la 10^17. Şansele ca ceva asemănător să se întâmple în natură din pură coincidenţă sunt atât de mici, încât este destul de caraghios şi să le aducem în discuţie.

Am vorbit aici doar de corecţia datorată interacţiunii cu electroni şi pozitroni, dar există multe alte particule. Fiecare dintre acestea va interacţiona cu Higgs şi va determina o corecţie a masei sale.

Mai e ceva important de menţionat aici. Am văzut mai devreme că fermionii sunt asociaţi cu valoarea -1, iar bosonii cu +1, atunci când vorbim de rocada între două particule identice. Ne vom întâlni cu aceste plusuri şi minusuri 1 din nou; însă, de această dată, ele joacă un rol diferit.

Pentru fiecare specie de fermioni, vom micşora masa reală a lui Higgs cu un anumit cuantum pentru a obţine masa observată (de aceea am micşorat când am vorbit despre electroni) şi, respectiv, o vom mări în cazul bosonilor. Şi pentru fiecare, mărim sau micşorăm cu aproximativ aceeaşi cantitate de masă. Numai că plusurile şi minusurile nu se anulează.

Vorbind prin prisma Modelului Standard, în natură nu există numere egale de fermioni şi bosoni. Luând în calcul toate combinaţiile de spin şi culoare (o altă proprietate cuantică - n.tr.), există 28 de tipuri de bosoni şi 90 de tipuri de fermioni. Conform acestor cifre, ar trebui ca masa reală a bosonului Higgs, cea pe care am măsura-o dacă am putea cumva elimina vidul din Univers, ar trebui să aibă o valoare de aproximativ 62 de ori mai mare decât masa Planck pentru a putea rezulta ceea ce s-a observat la LHC. Masa reală şi corecţia trebuie să se potrivească la aproximativ 18 zecimale.

Dacă trebuie să atingi un asemenea nivel de reglaj fin, probabil trişezi. Faptul că mare parte din munca fizicienilor teoreticieni constă tocmai în a elimina infiniţii (sau cantităţile foarte aproape de valori infinite) este unul din micile secrete murdare ale acestei meserii.


Motivul pentru care bosonul Higgs are nevoie de SUSY

Soluţia este să presupunem că există şi alte particule. Aceasta este ideea de bază a SUSY. Conform supersimetriei, bosonii şi fermionii sunt ei înşişi faţete diferite ale aceleaşi monede. Pentru fiecare boson, ar trebui să existe un fermion şi viceversa. Dacă, într-adevăr, numărul de bosoni este egal cu cel de fermioni, atunci corecţiile cu plus şi minus ale masei bosonului Higgs ar trebui să se anuleze. Imaginaţi-vă cum ar fi dacă atunci când păşiţi pe cântar, v-aţi ataşa un număr suficient de baloane cu heliu astfel încât masa hainelor dvs. să se anuleze.

Înţeleg că o soluţie de genul "haide să inventăm nişte particule noi" sună fie atât de simplu încât pare a nu fi nevoie de studii avansate în fizică pentru a veni cu o asemenea idee, fie atât de aiurea încât nu pare că ar putea ajuta la ceva. Aveţi totuşi răbdare şi urmăriţi raţionamentul în continuare.

În primul rând, ideea de a descoperi simetrii – în acest caz între bosoni şi fermioni – e foarte importantă în fizică. Modul în care noi înţelegem forţele slabă şi electromagnetică este esenţialmente prin presupunerea că electronii şi neutrino (de asemenea şi quarcurile up şi down) sunt doar nişte aspecte diferite ale aceleaşi particule fundamentale. Tocmai această simetrie este cea care duce la teoriile actuale cu privire la bosonul Higgs.

Bineînţeles că supersimetria implică ceva mai mult decât presupunerea că există o mulţime de particule ce nu au fost încă descoperite. Există un aparat matematic cât se poate de solid care susţine teoria supersimetriei, unul care anticipează existenţa unor interacţiuni între toate tipurile de particule şi "superpartenerii" lor.

Fiecare particulă are un partener de tip opus. Electronul e un fermion. De partea cealaltă există un boson numit selectron. Toţi bosonii vor avea parteneri cu nume amuzante. Fotonul are un partener numit photino, în timp ce partenerul bosonului W se numeşte Wino (pronunţat weeno).

Dar dacă fiecare particulă ar avea un partener, nu e ciudat că noi nu am observat niciodată vreunul? Posibil. Una dintre predicţiile generale ale modelelor de simetrie e aceea că partenerii supersimetrici ar trebui să fie de sute sau chiar de mii de ori mai masivi decât versiunile cunoscute de noi ale acestora. Iar particulele foarte masive, după cum ştiţi, nu stau prin preajmă prea mult timp.

S-ar putea să existe mai multe tipuri de particule numite "neutralino" care sunt, după cum vă puteţi da seama, neutre din punct de vedere electric. Acest lucru înseamnă că atunci când am încerca să le creăm într-un accelerator de particule ele vor fi extrem de dificil de detectat în mod direct. Iar noi nici măcar nu le-am detectat în mod indirect.


Ce ştim acum şi ce urmează să facem

Atât rezultatele experimentelor iniţiale de la acceleratorul LHC, cât şi experimentele realizate cu scopul detectării particulelor SUSY nu promit prea multe lucruri. Problema este că, din ceea ce ştim până acum, aceste particule ar trebui să aibă aceeaşi masă ca bosonul Higgs, iar limitele experimentale din acest moment sugerează că acestea sunt cel puţin de câteva ori mai masive. Iar asta e o problemă destul de mare, ce nu poate fi rezolvată prin simplul reglaj al unor parametri.

Adevăraţii susţinători ai teoriei vor afirma că există o mulţime de modele SUSY, iar multe dintre ele fac parte din grupul de teorii cunoscute sub numele de "Modelul Standard Supersimetric Minim" (Minimal Supersymmetric Standard Model - MSSM). Aceste modele simple au şanse mici de supravieţuire, dar unele scheme mai complicate ar putea fi totuşi viabile.

Ar fi păcat ca supersimetria să se dovedească în cele din urmă o teorie eronată, pentru că o asemenea teorie ne-ar oferi indicii importante la o mulţime de probleme nerezolvate.

De exemplu, una dintre presupunerile obişnuite este că superpartenerul cel mai uşor este neutralino ... o particulă masivă, abundentă şi care este stabilă din cauză că nu există nimic în care ea s-ar putea descompune? Sună a materie neagră. Doar că pentru a exista acest neutralino e nevoie ca SUSY să fie adevărată...

Chiar dacă supersimetria se dovedeşte în cele din urmă a fi o realitate a Universului nostru, ea trebuie să nu fie tocmai perfectă. E nevoie ca unele simetrii să fie puţin "rupte", ca să folosim limbajul specialiştilor. Dacă nu s-ar întâmpla aşa, toţi superpartenerii ar avea aceeaşi masă ca şi partenerii lor deja cunoscuţi. Iar în acest caz superpartenerii ar fi fost descoperiţi cu mult timp în urmă.

În final, trebuie să menţionăm şi că supersimetria are legătură cu teoria corzilor, mai ales că oamenii vorbesc despre "supercorzi" din simplul motiv că multe din versiunile teoriei corzilor şi multor sale dimensiuni implică validitatea supersimetriei ca parte a respectivelor modele teoretice. Dar discuţia nu se termină aici. Supersimetria ar putea exista şi fără teoria corzilor. E bine de ştiut şi faptul că, la fel de adevărat e următorul lucru: şi infirmarea supersimetriei ar putea ajuta la clarificarea unora din misterele teoretice din fizica actuală.




Traducere realizată de Andreea Dogaru după whats-so-super-about-supersymmetry.


Dacă găsiţi scientia.ro util, sprijiniţi-ne cu o donaţie.


PayPal ()
CoinGate Payment ButtonCriptomonedă
Susţine-ne pe Patreon!