Экзамены суперсимметричной модели вселенной 1978

Category:

• Образование
• Cancel

Экзамены суперсимметричной модели Вселенной

В предпоследней серии «Теории Большого взрыва» герои находят в библиотеке статью 1978 года на русском языке, под названием «Экзамены суперсимметричной модели Вселенной». По-русски так не говорят, но ошибка довольно тонкая. В общем, за антураж и реквизит им пятёрка, но с жирным таким минусом, чтоб не задавались. Зато теперь гугль в качестве подсказки выдаёт это сразу после набора «экзамены с». Видимо, все бросились искать оригинал. Но его, увы, не существует. Ну пусть теперь здесь находит! [скриншот]

… Knight of the Alphabetical Order …

Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной

Большой адронный коллайдер очень скоро снова заработает с удвоенной скоростью. Физики полагают, что столкновения частиц на околосветовых скоростях помогут раскрыть целый набор новых частиц, открывающих изнанку физики: суперсимметрию. В прошлый раз мы немного затронули эту тему, пришло время обсудить, что это за суперсимметрия и зачем она нам.

На данный момент главенствующей теорией физики элементарных частиц является Стандартная модель. Она отлично объясняет, как взаимодействуют основные строительные блоки материи, создавая Вселенную, которую мы видим вокруг.

Стандартная модель — лучшее описание, которое у нас есть, но оно далеко от совершенства.

Неполная теория

Стандартная модель образовалась в 1970-х годах. Это набор уравнений, который описывает, как все известные элементарные частицы взаимодействуют с четырьмя фундаментальными силами: сильным и слабым взаимодействием, электромагнетизмом и гравитацией.

«Есть некоторые вещи, которых Стандартная модель не может объяснить, — говорит физик Джордж Редлинджер из Брукхейвенской лаборатории, которая работает над экспериментом ATLAS на БАК. — Потому мы знаем, что это неполная теория».

Стандартная модель отлично связывает первые три из этих четырех фундаментальных сил, но не касается гравитации. Гравитация настолько слабая сила, что даже игрушечный магнит может ее побороть. Остальные три силы намного сильнее. Гравитация имеет крайне важное значение для физики, и ее поведение описывает общая теория относительности Эйнштейна.

Стандартная модель также не может объяснить присутствие таинственного вещества под названием темная материя, которое удерживает галактики вместе. И не может объяснить, почему во Вселенной намного больше материи, чем антиматерии, хотя должно быть равное количество.

Суперсимметрия — это расширение Стандартной модели, которое могло бы помочь заполнить некоторые из этих недостатков. Она прогнозирует, что каждая частица в Стандартной модели может обладать пока не обнаруженным партнером. Это касается даже знакомых нам частиц вроде электронов. Суперсимметрия предсказывает, что у электронов есть партнеры «селектроны», у фотонов — «фотино» и так далее.

Вот все пробелы в физике, которые может исправить суперсимметрия.

Суперсимметрия может объяснить, почему бозон Хиггса такой легкий

Несмотря на то, что Стандартная модель предсказала существование бозона Хиггса, его обнаружение проделало еще одну трещину в теории. Хиггс, который физики наблюдали на БАК в 2012 году, намного легче, чем ожидалось. Стандартная модель предсказывает, что бозон Хиггса в триллионы раз тяжелее, чем тот, что наблюдали физики во время первого запуска БАК, как говорит Дон Линкольн, физик из Лаборатории Ферми.

Будучи частицей, которая дает массу другим частицам, Хиггс должен быть очень тяжелым, поскольку взаимодействует с огромным числом частиц. Частицы-партнеры, предсказываемые суперсимметрией, могли бы поправить это. Если они существуют, эти дополнительные частицы отменяли бы вклад партнеров в массу Хиггса. Потому бозон Хиггса был бы легким, как мы его и наблюдали.

Это естественное объяснение куда более желательно, чем внесение корректировок в существующую Стандартную модель. Когда вы вынуждены править теории, объясняющие то, что вы в действительности наблюдаете, это знак того, что «вы на самом деле не знаете, что делаете», говорит Линкольн, а эта теория, по всей видимости, неправильная или неполная.

Частицы Стандартной модели во внутреннем круге; суперсимметричные партнеры — во внешнем

Суперсимметрия может объяснить темную материю

Темная материя невидима и до сих пор не обнаружена, но тем не менее на нее приходится до 27% всей материи во вселенной.

Самые легкие суперсимметричные частицы, предсказываемые в рамках теории, могут быть неуловимыми частицами темной материи, на которые охотятся физики десятилетиями. Суперсимметрия предсказывает, что у этой частицы будет нейтральный заряд и она едва ли будет взаимодействовать с любой другой частицей. Примерно такое описание физики ждут от частиц темной материи.

Темная материя невидима, поэтому частицы, из которых она состоит, должны быть нейтральными, иначе будут рассеивать свет и станут видимыми. Эти частицы также ни с чем не взаимодействуют, иначе мы бы их уже обнаружили.

Суперсимметрия указала бы в направлении универсальной теории в физике

Главная цель физики — постоянно конденсировать наше понимание вселенной все более простыми терминами.

К примеру, теперь мы понимаем, что гравитация, которая привела к падению яблока на голову Ньютона, — это та же гравитация, которая управляет планетами и звездами. И теперь мы знаем, что законы электричества и законы магнетизма — просто два закона, которые определяют единую фундаментальную силу электромагнетизма.

Если суперсимметричные частицы включены в Стандартную модель, они бы тесно связали три из четырех фундаментальных сил, которые описываются Стандартной моделью: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие. Суперсимметрия будет означать, что все эти три силы будут обладать одной и той же силой на очень высоких энергетических уровнях.

Многомерное пространство Калаби-Яу

В частности, суперсимметрия может укрепить теорию струн. Суперсимметрия часто описывается как трамплин для теории струн — чтобы она стала возможной, необходима некоторая версия суперсимметрии.

Теория струн остается одним из ведущих кандидатов на «теорию всего», которая объединит всю физику. Тем не менее проверить ее экспериментально чрезвычайно трудно.

«Энергия структур, с которыми имеет дело теория струн, настолько высока, что мы, вероятно, никогда не воспроизведем ее в лаборатории», — говорит Стивен Вайнберг.

Тем не менее открытие суперсимметрии по крайней мере даст апологетам теории струн знать, что они идут в правильном направлении.

Как разлетаются бозоны

Физики думают, что мы найдем доказательства суперсимметрии?

Несмотря на десятилетия поисков, никто не нашел никаких доказательств суперсимметрии. Впрочем, великие теории открывались не за два-три года. К примеру, почти полвека понадобилось на то, чтобы открыть бозон Хиггса с момента теоретического предположения его существования. Потому, хотя мы и не видим доказательств суперсимметрии, эта теория остается очень мощной.

«Это настолько прекрасная идея, что она обязана быть правильной», — говорит Редлинджер.

Тем не менее Вселенной абсолютно все равно, насколько идеальными наши теории ни казались бы, говорит Линкольн. Многие физики говорят, что мы должны были найти доказательства суперсимметричных частиц уже в первый запуск БАК, поэтому теория вполне может быть не ахти.

Но только потому, что мы не видели каких-либо суперсимметричных частиц, еще не означает, что их нет. Может быть, есть что-то в том, как суперсимметрия проявляется, чего мы пока не понимаем. Может, нужен более мощный коллайдер, чтобы частицы-суперпартнеры проявили себя.

Мы не узнаем этого, пока БАК не заработает. Обновленный ускоритель частиц будет работать на 60% сильнее, чем раньше, перейдет от 360 миллионов столкновений в секунду до 700 миллионов столкновений в секунду. Если суперсимметрия была вне досягаемости по уровню энергии во время последнего запуска, данные этого года могут быть совершенно неописуемыми.

Конечно, мы можем ничего и не найти. Но это тоже пойдет нам на пользу.

Если суперсимметрия ошибочна, это откроет дверь к новому набору теорий. Также появится больше доверия к другим теориям, вроде идеи о мультивселенной, к которой никогда не было особого доверия. Ждем запуска.

Источник

Нобелевская премия по физике 2008 года. Нобелевская асимметрия

Доктор физико- математических наук И. РОЙЗЕН (ФИАН).

Начнём с Йоичиро Намбу, поскольку он старший по возрасту и получил «львиную долю» — половину всей премии.

Около полувека тому назад, задолго до появления в обиходе физиков слова «кварк», Намбу совместно с итальянским физиком Джованни Йона-Лазиньо высказали гипотезу относительно глубинных причин, управляющих «устройством» и свойствами казавшегося довольно сумбурным «зоопарка» адронов, каковых в то время было уже известно несколько десятков. Опираясь на аналогию со сверхпроводимостью, которой Намбу занимался до этого, они построили весьма своеобразную модель сильного взаимодействия этих частиц. Её основными объектами были не хорошо известные нуклоны — протоны и нейтроны, а некие гипотетические, очень лёгкие частицы, которых в природе не оказалось (роль, которую они играли в этой модели, впоследствии взяли на себя кварки); мезонов же в теории изначально не было вообще. Но, пожалуй, самое главное, что вакуум перестал играть роль «стороннего наблюдателя» за распространением частиц, а превратился в активного участника процесса.

Математически это выглядело как появление новой симметрии — так называемой киральной, которая спонтанно нарушалась, а физически, как и в случае сверхпроводимости, было проявлением того общего положения, что система фермионов с притяжением между частицами не вполне устойчива. Именно эта неустойчивость привела к образованию конденсата — когерентного состояния сильновзаимодействующих частиц, минимизирующего энергию системы, подобно тому как это делают куперовские пары в сверхпроводниках (см. «Наука и жизнь» № 2, 2004 г.).

Что такое спонтанное нарушение (любой) симметрии, поясним на примере. Всем известный буриданов осёл, стоя посередине между двумя стогами сена, долго не мог решить, к какому из них направиться. Пока дело обстоит таким образом, картина вполне симметрична. Но, в конечном счёте, он всё же должен пойти к одному из них — не умирать же ему с голоду. Выбор совершенно случаен (спонтанен), но как только осёл сделал первое телодвижение, запах вожделенной еды, исходящий от ставшего чуть ближе стога, стал немного сильнее, и, стало быть, назад он уже не пойдёт. Таким образом, не остаётся никаких шансов на дальнейшее удержание симметрии. А вот другой, менее курьёзный пример. Представим себе, что маленький теннисный мячик лежит на слабо накачанном закреплённом баскетбольном мяче, продавив ямку в его верхней точке. Очевидно, что такая конфигурация абсолютно симметрична относительно вертикальной оси, проходящей через центры обоих мячей. Станем накачивать баскетбольный мяч. Как только вогнутость в его верхней точке исчезнет, теннисный мячик немедленно скатится вниз (и в непредсказуемом направлении). Заметим, что в ходе этого эксперимента мы не совершали никакого асимметричного воздействия на систему, но тем не менее симметрия нарушилась и притом необратимо.

В результате нарушения киральной симметрии в модели Намбу—Йона-Лазиньо возникали мезоны, а фермионы приобретали значительную массу и становились более похожими на нуклоны. Эта модель не была вполне последовательной, но она во многом предвосхитила появление через 10 лет настоящей теории сильных взаимодействий — квантовой хромодинамики, которой органически присуще спонтанное нарушение киральной симметрии.

Стоит отметить также и то, что спустя несколько лет (в 1965 году), когда уже стало понятно, что адроны состоят из кварков, Намбу вместе с Ханом были первыми, кто показал, что кварки взаимодействуют посредством восьми векторных частиц (то есть со спином 1), которые позднее назвали глюонами. Таким образом, Намбу стал одним из авторов представления о «цвете» кварков. «Цвет» — это присущее кваркам (и глюонам) квантовое число, которое не имеет ничего общего с расхожим представлением о цвете. Подобно электрическому, цветовые заряды характеризуют кварки и взаимодействия между ними. Сам по себе это был фундаментальный результат вполне нобелевского класса.

Кобаяши и Маскава поделили вторую половину премии. Их вклад в современную физику связан с двумя другими симметриями — пространственной и зарядовой. Смысл первой иллюстрируется картиной, которая получается при отражении предмета в зеркале. Оно может быть либо тождественно самому предмету — например, отражение букв О или Ф, либо нет — например, отражение буквы И.

В мире микрочастиц всё сложнее: там лучше говорить не о симметрии, а о чётности волновой функции, которая описывает физическую систему. Ясно, что в результате двукратного отражения ничего измениться не должно, но при каждом отражении эта функция, вообще говоря, может поменять знак на противоположный. Если этого не происходит, состояние называют чётным, в противном случае — нечётным. Возможность того, что при слабых взаимодействиях пространственная («зеркальная») чётность может изменяться, была предсказана в 1956 году американскими физиками Ли Цзундао и Янг Чженьнин, а спустя год американский физик Ву Цзяньсюн экспериментально обнаружила, что такой эффект действительно имеет место: до взаимодействия состояние может быть чётным, а после него стать нечётным, и наоборот. Вскоре после этого советский физик Л. Д. Ландау сформулировал гипотезу, согласно которой при любых взаимодействиях должна сохраняться комбинированная чётность — волновая функция не меняет знак при зеркальном отражении (Р) и одновременной замене частиц античастицами (последнюю операцию называют зарядовым сопряжением и обозначают буквой С). Гипотезу назвали СР-инвариантностью. Долгое время её считали таким же незыблемым законом сохранения, как, скажем, закон сохранения энергии, которому подчиняются все процессы. Но в 1964 году был обнаружен редкий распад долгоживущего нейтрального К-мезона, свидетельствующий, что это не так. А. Д. Сахаров сразу же отметил, что именно невыполнение СР-инвариантности на ранних стадиях образования горячей Вселенной могло привести к её барионной асимметрии — преобладанию вещества над антивеществом. Тогда всё сущее, в том числе, конечно, и мы сами, порождено нарушенной симметрией.

Оставалось, однако, непонятным, как нарушение СР-инвариантности «втиснуть» в рамки бытовавших в то время теоретических представлений. Дело в том, что тогда ещё только-только была предложена (американцами М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом) систематизация упоминавшегося выше «зоопарка» адронов, основанная на представлении, что они состоят из кварков трёх типов — u, d и s и соответствующих антикварков. Но нарушению СР-инвариантности там места не было.

И тогда Кобаяши и Маскава обратили внимание на то обстоятельство, что несохранение СР-чётности можно описать весьма непринуждённо, если кроме упомянутых выше имеются как минимум ещё три кварка. Говоря точнее, если в природе существует не менее трёх поколений кварков.

Их догадка блестяще подтвердилась, теперь мы знаем, что три поколения — это пары (ud)-, (cs)- и (tb)-кварков, которые, однако, «смешиваются» друг с другом. (Последний, тяжёлый t-кварк третьего поколения, «поймали» в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Чикаго, США) в 1994 году — см. «Наука и жизнь» № 8, 1994 г.).

Под этим понимается, что слабое взаимодействие способно вызывать переходы внутри троек uct (их электрические заряды равны +2/3) и dsb (электрические заряды –1/3) соответственно. Более того, выяснилось, что при распадах нейтральных B-мезонов СР-чётность нарушается намного сильнее, чем в аналогичных процессах с участием К-мезонов, о которых упоминалось выше.

В заключение заметим, что во всей этой захватывающей физике микромира ещё далеко не всё понятно. По существу, пока мы не знаем самого главного: в чём причина нарушения симметрии в слабых взаимодействиях? Дальнейшее тесно связано со свойствами хиггсовского бозона, существование которого предсказывается так называемой стандартной моделью (см. «Наука и жизнь» № 8, 1994 г.). Если это предсказание верно, то он, несомненно, будет открыт на запущенном недавно в ЦЕРНе Большом адронном коллайдере (LHC). Если же выяснится, что его нет, это будет означать, что глубинную структуру материи мы понимаем в действительности намного хуже, чем кажется сейчас.

Словарик к статье

Адроны (от греч. hadros — большой, сильный) — класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии (одном из четырёх фундаментальных), которое создаёт прочную связь нуклонов в ядре, а при столкновении частиц высокой энергии приводит к ядерным реакциям.

Киральная симметрия (от греч. cheir — рука) — инвариантность уравнений квантовой теории поля относительно преобразований, перемешивающих состояния частиц как с различными электрическими зарядами, так и с разной внутренней чётностью. Это глобальная симметрия — она не зависит от координат пространства-времени. Киральная симметрия скомбинирована из двух различных симметрий, одна из которых — симметрия взаимодействия адронов относительно преобразований в группе частиц с очень похожими свойствами (в так называемом изотопическом пространстве), другая — так называемая внутренняя чётность, которая характеризует поведение волновой функции частицы при инверсии пространственных координат. Нарушение киральной симметрии приводит к появлению связанных фермионов, подобно куперовским парам в сверхпроводниках.

Когерентность — согласованное протекание во времени и в пространстве нескольких колебательных или волновых процессов.

Мезоны (от греч. mesos — средний, промежуточный) — нестабильные элементарные частицы из класса адронов. Существует множество мезонов с самой разной массой, временем жизни, квантовыми характеристиками, заряженных и нейтральных. Все мезоны состоят из кварка и антикварка.

Фермионы — частицы, подчиняющиеся принципу Паули: два фермиона не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. К фермионам относятся нуклоны, нейтрино, кварки и другие частицы с полуцелым спином. Названы в честь Э. Ферми, который одновременно с П. Дираком исследовал их свойства.

Бозоны — частицы с нулевым или целым спином. В отличие от фермионов в одном квантовом состоянии может находиться любое количество бозонов. Названы в честь Д. Бозе и А. Эйнштейна, рассмотревших их свойства.

Кварки — по современным представлениям, шесть «истинно элементарных», то есть бесструктурных частиц, из которых состоят адроны.

Глюоны (от англ. glue — клей) — электрически нейтральные частицы, которые реализуют сильное взаимодействие между кварками. В отличие от нейтральных фотонов — переносчиков электромагнитного взаимодействия — глюоны несут цветовой заряд и поэтому непосредственно взаимодействуют между собой.

Барионы (от греч. barys — тяжёлый) — элементарные частицы, к которым относятся протон, нейтрон и другие, обладающие специфическим барионным зарядом. Барионы участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях — сильном, слабом, электромагнитном и гравитационном. Во всех известных сейчас экспериментах полный барионный заряд сохраняется (частицы рождаются или уничтожаются только парами: барион + антибарион), однако нарушение СР-чётности в слабых взаимодействиях могло бы послужить причиной появления избытка барионов в очень ранней Вселенной.

Барионный заряд — внутренняя характеристика частиц, равная 1 у барионов, –1 у антибарионов и 0 у всех остальных частиц. Свободные частицы имеют барионные заряды, кратные барионному заряду протона; кварки, которые в свободном виде не встречаются, а по трое составляют протоны и нейтроны, имеют барионный заряд 1/3, антикварки – 1/3.

Читайте в любое время

о )— они всегда рождаются парами. Эти сравнительно долгоживущие частицы успевают пролететь почти 0,5 мм, прежде чем распасться на более лёгкие частицы. В одном из каналов распада образуются K- и π-мезоны: в первом случае это K + и π – , а во втором — K – и π + . Очевидно, что эти реакции получаются одна из другой посредством СР-преобразования. Поэтому СР-симметрия требует того, чтобы число тех и других было одинаково. Но оказалось, что первый распад происходит примерно на 10 процентов чаще.

Источник

«The Citation Negation»^[1] is the ninth episode of the twelfth season of the American sitcom The Big Bang Theory. The episode aired on Thursday, November 15, 2018.

Summary

Leonard researches citations for Sheldon and Amy’s research paper. He finds a Russian paper that basically discredits Super-Asymmetry. Bernadette tries to beat Howard and Raj at «Fortnite», and recruits help from Denise.

Extended Plot

Sheldon and Amy are completing their Super-Asymmetry paper by working on the footnotes for the appendix. Sheldon truly thinks that the paper is a product of both of them; his math and Amy’s sassy take on the fundamental nature of symmetry. He asked Amy to run down all the citations and notes which bothers Amy since there are hundreds of them. First they think about assigning it to a graduate student and then they decide to dump it on Leonard as long as they can trust him. Sheldon goes over to Leonard’s and tells him that he is having an affair and not to tell anyone. Leonard scoffs and later tells Penny that Sheldon is obviously testing whether he can keep a secret.

Sheldon and Amy approach Leonard in the cafeteria telling him that he passed the secret loyalty test. Also Sheldon was never having an affair. They then ask Leonard to run down their paper’s citations. He first thinks that it was grad student work, but then agrees to help out.

Raj and Howard are playing «Fortnite» when Bernadette comes in and wants to join in. She plays her own games and those with Halley. Bernadette starts, parachutes in, lands and gets killed.

Raj is helping Leonard at the library. He did hear the rumor about Sheldon and the lunch lady (Sheldon’s alleged affair) and he called her a floozy. Leonard splits the list of papers they want to find, while Raj is scared in the creepy dark library. On the other hand, Leonard has problems breathing because of the dust.

At work Bernadette is playing “Fortnite” to beat the guys. Penny comes in for lunch and wonders if Howard switch bodies with Bernadette in a “Freaky Friday” scenario. Bernadette quips that if that were true, she/he would be constantly staring at her own boobs. Bernie wants to beat Howard, but can’t kill anyone. Penny tries it once and kills someone instantly.

Back in the library, Raj and Leonard are looking through books that Leonard wants to finish before his inhaler runs out. Raj found a paper written by a Russian that has never been translated. They decide to have Howard look at it since Raj’s attempt at using Google Translation miserably fails.

Howard is reading the Russian paper in the cafeteria and admits that his Russian is rusty. The paper is a discussion of super-asymmetry. Sheldon and Amy weren’t the first to come up with the idea. Also, the paper states that the super-asymmetry model is flawed and not worth any further research. Both Raj and Howard want Leonard to break the bad news to Sheldon.

At the comic book store, Bernadette approaches Denise. Stuart is at the doctor’s, so Bernadette asks Denise why the two of them are together. Denise tells her that her parents own a funeral home, so she can read what she wants into that statement. Then Bernadette asks her to teach her how to play “Fortnite”. Denise accepts and returns Bernadette’s question by asking about why she and Howard are together. Bernadette states Denise has eyes and she can understand.

Leonard approaches Sheldon’s door reluctantly. Penny comes up the stairs before he actually knocks. Leonard tells Penny what he found and that it will break Sheldon and Amy’s hearts and their chance for a Nobel Prize. Penny tells Leonard that he can do it while she runs for the safety of their apartment. Leonard knocks and is invited in. Sheldon wants to know how the work is coming. Leonard explains that Raj found a paper and that it disproves their work. Sheldon thanks him calmly, says that they no longer need his work on his whiteboard. After calmly starting to erase it he destroys the board, screams and runs into the bedroom.

Denise is at Bernadette’s teaching her the game. She is being as hard on Bernadette calling her a baby and unintelligent much like Bernadette treats other people.

Sheldon is looking over their paper as Amy comes into the bedroom. Does he want a cup of tea or hear “Soft Kitty”? No. Sheldon thinks that Amy should be more upset. She was just trying to hold herself together for him. Sheldon doesn’t want her to pretend that everything’s all right. Then Amy blows up that they had started it on the day of their wedding, months were spent on it and she thought they were changing the frontiers of science. NO, she is devastated. Sheldon then complains that that doesn’t help him at all and she should return to happy.

Bernadette finds Howard and Raj playing “Fortnite” and she asks if she could try it again. They are reluctant so she grabs Raj’s laptop from him. She finds Howard and still quickly gets killed by him. She runs out of the room telling her husband that she makes more money than him. Raj then adds sarcastically that Howard has a good woman there.

Leonard and Penny are climbing the stairs hoping that the Coopers are all right. Leonard asked them if they wanted to see a movie. No. Penny wonders if they are already dead. Sheldon tells them to come in and both are still in their pajamas with trash thrown everywhere. They didn’t even know what day it was and they keep counting the number of things they are wrong about. Penny wants them to get back try even harder. Leonard tells them that together they can solve anything. Amy shoots back that if they think a pep talk can solve this, then Leonard and Penny don’t know how much their theory meant to them. Sheldon sees their Chinese dinner and Leonard offers it to them; however, it’s still not what Sheldon likes. Another thing that’s wrong.

Penny and Bernadette are in 4A as Bernadette is still playing “Fortnite”. Bernadette beats Penny who doesn’t really care while Bernadette is hyped on steroids. They get ready to go eat when Leonard comes in with a water bottle that Bernadette knocks out of his hand. Boom! Penny grabs her keys and says that she is going to drive.

Credits

• Guest starring:
  • Lauren Lapkus as Denise
• Teleplay: Steve Holland, Dave Goetsch & Maria Ferrari
• Story: Eric Kaplan, Tara Hernandez & Jeremy Howe

Notes

• Title Reference: The title refers to the Russian paper citation that disproves Sheldon and Amy’s super-asymmetry theory.
• Taping date: November 6, 2018
• This episode was watched by 12.56 million people with a rating of 2.3 (adults 18–49).
• Total viewers including DVR users 17.35 million.
• This episode aired in Canada on November 15, 2018.
• Chuck Lorre’s vanity card. [1]

Critics

• Nicholas Graff at Sciencefiction.com — …this week, I think this episode falls in the “meh” category. It’s unfortunate because it felt like they had all the ingredients this week for a solid ‘A’ story, especially since it seemed to revolve around Sheldon and Amy, but it just did not seem to come together…Never a good sign when the ‘B’ story has more comedy than the ‘A’ story, made all the worse by the fact that Sheldon and Amy are usually the comedy gold these days. Not to mention the fact that writing their latest scientist theory out like this kind of ruins a piece of their wedding…And as always, they need to find ways to give more members of the cast storylines in every episode. [2]
• IMDb user review [3]

Trivia

• The Russian paper, published in 1978, is called «Examinations of a Super-Asymmetric Model of the Universe» by Dr. Vasily Gregora-poli-popivich. It purports «the super-asymmetric model» is inherently flawed and does not bear the weight of further examination. There is a mistake in translation of word «examinations». It interpretated as «exams» — «экзамены», but is should be «исследования». Gregora-poli-popivich is not usual Russian surname and patronym. More realistic variant would be Grigoryev Vasily Pavlovich.
• While playing the «Fortnite» video game Bernadette shouts «Weee!» like Sheldon noted she did while riding the land rover in the Star Wars online game in season 4.
• Sheldon gave up too fast accepting a 40 year old paper that might have been disproven or was worth studying to see if it had any flaws or was even still valid. Science is always evolving.
• Sheldon tells Leonard and Penny that a pep talk will not help him; however, in the next episode, watching his father give his high school football team half-time pep talk helps him and inspires him to continue.

Quotes

Sheldon: There’s only one woman allowed to touch my “no-no region.” (Amy puts her hand on his shoulder, and Sheldon ducks away) No, no.

---

Denise: Walk up to that chest and push “X.”

Bernadette: Which one’s “X?”

Denise: The one with the “X” on it!”

Bernadette: Take it easy I’m new at this!

Denise: The alphabet?

---

Sheldon: I don’t understand why you’re not more upset, this is your paper too.

Amy: I am upset Sheldon! I’m just trying to hold it together for you! Like when that goose wouldn’t leave us alone at brunch!

Sheldon: That thing scared you too?

Amy: Well of course it did! I was wearing a down jacket!

References

1. ↑ https://forum.the-big-bang-theory.com/topic/7411-spoilers-season-12-discussion-thread/?do=findComment&comment=671472

Gallery

Episodes | Season 12

«The Conjugal Configuration» • «The Wedding Gift Wormhole» • «The Procreation Calculation» • «The Tam Turbulence» • «The Planetarium Collision» • «The Imitation Perturbation» • «The Grant Allocation Derivation» • «The Consummation Deviation» • «The Citation Negation» • «The VCR Illumination» • «The Paintball Scattering» • «The Propagation Proposition» • «The Confirmation Polarization» • «The Meteorite Manifestation» • «The Donation Oscillation» • «The D & D Vortex» • «The Conference Valuation» • «The Laureate Accumulation» • «The Inspiration Deprivation» • «The Decision Reverberation» • «The Plagiarism Schism» • «The Maternal Conclusion» • «The Change Constant» • «The Stockholm Syndrome» • Unraveling the Mystery: A Big Bang Farewell

«The Citation Negation»^[1] is the ninth episode of the twelfth season of the American sitcom The Big Bang Theory. The episode aired on Thursday, November 15, 2018.

Summary

Leonard researches citations for Sheldon and Amy’s research paper. He finds a Russian paper that basically discredits Super-Asymmetry. Bernadette tries to beat Howard and Raj at «Fortnite», and recruits help from Denise.

Extended Plot

Sheldon and Amy are completing their Super-Asymmetry paper by working on the footnotes for the appendix. Sheldon truly thinks that the paper is a product of both of them; his math and Amy’s sassy take on the fundamental nature of symmetry. He asked Amy to run down all the citations and notes which bothers Amy since there are hundreds of them. First they think about assigning it to a graduate student and then they decide to dump it on Leonard as long as they can trust him. Sheldon goes over to Leonard’s and tells him that he is having an affair and not to tell anyone. Leonard scoffs and later tells Penny that Sheldon is obviously testing whether he can keep a secret.

Sheldon and Amy approach Leonard in the cafeteria telling him that he passed the secret loyalty test. Also Sheldon was never having an affair. They then ask Leonard to run down their paper’s citations. He first thinks that it was grad student work, but then agrees to help out.

Raj and Howard are playing «Fortnite» when Bernadette comes in and wants to join in. She plays her own games and those with Halley. Bernadette starts, parachutes in, lands and gets killed.

Raj is helping Leonard at the library. He did hear the rumor about Sheldon and the lunch lady (Sheldon’s alleged affair) and he called her a floozy. Leonard splits the list of papers they want to find, while Raj is scared in the creepy dark library. On the other hand, Leonard has problems breathing because of the dust.

At work Bernadette is playing “Fortnite” to beat the guys. Penny comes in for lunch and wonders if Howard switch bodies with Bernadette in a “Freaky Friday” scenario. Bernadette quips that if that were true, she/he would be constantly staring at her own boobs. Bernie wants to beat Howard, but can’t kill anyone. Penny tries it once and kills someone instantly.

Back in the library, Raj and Leonard are looking through books that Leonard wants to finish before his inhaler runs out. Raj found a paper written by a Russian that has never been translated. They decide to have Howard look at it since Raj’s attempt at using Google Translation miserably fails.

Howard is reading the Russian paper in the cafeteria and admits that his Russian is rusty. The paper is a discussion of super-asymmetry. Sheldon and Amy weren’t the first to come up with the idea. Also, the paper states that the super-asymmetry model is flawed and not worth any further research. Both Raj and Howard want Leonard to break the bad news to Sheldon.

At the comic book store, Bernadette approaches Denise. Stuart is at the doctor’s, so Bernadette asks Denise why the two of them are together. Denise tells her that her parents own a funeral home, so she can read what she wants into that statement. Then Bernadette asks her to teach her how to play “Fortnite”. Denise accepts and returns Bernadette’s question by asking about why she and Howard are together. Bernadette states Denise has eyes and she can understand.

Leonard approaches Sheldon’s door reluctantly. Penny comes up the stairs before he actually knocks. Leonard tells Penny what he found and that it will break Sheldon and Amy’s hearts and their chance for a Nobel Prize. Penny tells Leonard that he can do it while she runs for the safety of their apartment. Leonard knocks and is invited in. Sheldon wants to know how the work is coming. Leonard explains that Raj found a paper and that it disproves their work. Sheldon thanks him calmly, says that they no longer need his work on his whiteboard. After calmly starting to erase it he destroys the board, screams and runs into the bedroom.

Denise is at Bernadette’s teaching her the game. She is being as hard on Bernadette calling her a baby and unintelligent much like Bernadette treats other people.

Sheldon is looking over their paper as Amy comes into the bedroom. Does he want a cup of tea or hear “Soft Kitty”? No. Sheldon thinks that Amy should be more upset. She was just trying to hold herself together for him. Sheldon doesn’t want her to pretend that everything’s all right. Then Amy blows up that they had started it on the day of their wedding, months were spent on it and she thought they were changing the frontiers of science. NO, she is devastated. Sheldon then complains that that doesn’t help him at all and she should return to happy.

Bernadette finds Howard and Raj playing “Fortnite” and she asks if she could try it again. They are reluctant so she grabs Raj’s laptop from him. She finds Howard and still quickly gets killed by him. She runs out of the room telling her husband that she makes more money than him. Raj then adds sarcastically that Howard has a good woman there.

Leonard and Penny are climbing the stairs hoping that the Coopers are all right. Leonard asked them if they wanted to see a movie. No. Penny wonders if they are already dead. Sheldon tells them to come in and both are still in their pajamas with trash thrown everywhere. They didn’t even know what day it was and they keep counting the number of things they are wrong about. Penny wants them to get back try even harder. Leonard tells them that together they can solve anything. Amy shoots back that if they think a pep talk can solve this, then Leonard and Penny don’t know how much their theory meant to them. Sheldon sees their Chinese dinner and Leonard offers it to them; however, it’s still not what Sheldon likes. Another thing that’s wrong.

Penny and Bernadette are in 4A as Bernadette is still playing “Fortnite”. Bernadette beats Penny who doesn’t really care while Bernadette is hyped on steroids. They get ready to go eat when Leonard comes in with a water bottle that Bernadette knocks out of his hand. Boom! Penny grabs her keys and says that she is going to drive.

Credits

• Guest starring:
  • Lauren Lapkus as Denise
• Teleplay: Steve Holland, Dave Goetsch & Maria Ferrari
• Story: Eric Kaplan, Tara Hernandez & Jeremy Howe

Notes

• Title Reference: The title refers to the Russian paper citation that disproves Sheldon and Amy’s super-asymmetry theory.
• Taping date: November 6, 2018
• This episode was watched by 12.56 million people with a rating of 2.3 (adults 18–49).
• Total viewers including DVR users 17.35 million.
• This episode aired in Canada on November 15, 2018.
• Chuck Lorre’s vanity card. [1]

Critics

• Nicholas Graff at Sciencefiction.com — …this week, I think this episode falls in the “meh” category. It’s unfortunate because it felt like they had all the ingredients this week for a solid ‘A’ story, especially since it seemed to revolve around Sheldon and Amy, but it just did not seem to come together…Never a good sign when the ‘B’ story has more comedy than the ‘A’ story, made all the worse by the fact that Sheldon and Amy are usually the comedy gold these days. Not to mention the fact that writing their latest scientist theory out like this kind of ruins a piece of their wedding…And as always, they need to find ways to give more members of the cast storylines in every episode. [2]
• IMDb user review [3]

Trivia

• The Russian paper, published in 1978, is called «Examinations of a Super-Asymmetric Model of the Universe» by Dr. Vasily Gregora-poli-popivich. It purports «the super-asymmetric model» is inherently flawed and does not bear the weight of further examination. There is a mistake in translation of word «examinations». It interpretated as «exams» — «экзамены», but is should be «исследования». Gregora-poli-popivich is not usual Russian surname and patronym. More realistic variant would be Grigoryev Vasily Pavlovich.
• While playing the «Fortnite» video game Bernadette shouts «Weee!» like Sheldon noted she did while riding the land rover in the Star Wars online game in season 4.
• Sheldon gave up too fast accepting a 40 year old paper that might have been disproven or was worth studying to see if it had any flaws or was even still valid. Science is always evolving.
• Sheldon tells Leonard and Penny that a pep talk will not help him; however, in the next episode, watching his father give his high school football team half-time pep talk helps him and inspires him to continue.

Quotes

Sheldon: There’s only one woman allowed to touch my “no-no region.” (Amy puts her hand on his shoulder, and Sheldon ducks away) No, no.

---

Denise: Walk up to that chest and push “X.”

Bernadette: Which one’s “X?”

Denise: The one with the “X” on it!”

Bernadette: Take it easy I’m new at this!

Denise: The alphabet?

---

Sheldon: I don’t understand why you’re not more upset, this is your paper too.

Amy: I am upset Sheldon! I’m just trying to hold it together for you! Like when that goose wouldn’t leave us alone at brunch!

Sheldon: That thing scared you too?

Amy: Well of course it did! I was wearing a down jacket!

References

1. ↑ https://forum.the-big-bang-theory.com/topic/7411-spoilers-season-12-discussion-thread/?do=findComment&comment=671472

Gallery

Episodes | Season 12

«The Conjugal Configuration» • «The Wedding Gift Wormhole» • «The Procreation Calculation» • «The Tam Turbulence» • «The Planetarium Collision» • «The Imitation Perturbation» • «The Grant Allocation Derivation» • «The Consummation Deviation» • «The Citation Negation» • «The VCR Illumination» • «The Paintball Scattering» • «The Propagation Proposition» • «The Confirmation Polarization» • «The Meteorite Manifestation» • «The Donation Oscillation» • «The D & D Vortex» • «The Conference Valuation» • «The Laureate Accumulation» • «The Inspiration Deprivation» • «The Decision Reverberation» • «The Plagiarism Schism» • «The Maternal Conclusion» • «The Change Constant» • «The Stockholm Syndrome» • Unraveling the Mystery: A Big Bang Farewell

Что такое суперсимметрия?

Большой адронный коллайдер (LHC) уже начал свою работу. Его запуск вызвал значительный интерес и сопровождался большим количеством разнообразных и, порой, антинаучных слухов и спекуляций.

Одной из важных целей работы LHC является проверка суперсимметричных моделей. Суперсимметрия как раз является областью моей научной деятельности, и я решил в научно-популярной форме попытаться рассказать, что же это такое.

Я остановлюсь в этой статье на современных теориях физики элементарных частиц, на некоторых идеях и следствиях этих теорий. Среди рассмотренных тем следующие:

• Стандартная модель фундаментальных взаимодействий (описывает практически все экспериментальные данные в физике элементарных частиц),
• ее достоинства и недостатки,
• идея суперсимметрии,
• решение многих проблем Стандартной модели при ее суперсимметричном обобщении,
• некоторые особенности минимальной суперсимметричной Стандартной модели (МССМ),
• экспериментальный статус суперсимметрии.

Я постарался вести рассказ максимально популярно, поэтому пришлось отказаться от математической строгости. Однако кое-где предполагается, что хабралюди, все-таки, еще помнят школьную математику и физику. Без этого было бы затруднительно, если вообще возможно, изложить часть понятий и идей.

Теоретические основы физики элементарных частиц

Физика элементарных частиц — одна из немногих областей человеческого знания, где удалось проникнуть глубже всего в тайны материи и объяснить ее свойства. До сих пор сокращение числа законов, описывающих мир, было одной из основных тенденций при построении научных теорий. При этом главной целью всегда оставалось и остается построение единой теории поля, которая бы объединила все знания человечества о природе, и из которой можно было бы вывести (хотя бы в принципе) все законы как частные случаи такой теории.

Фундаментальные взаимодействия

В настоящее время известно четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Первые два обладают дальнодействием и проявляются в повседневной жизни. Гравитация, например, управляет движением небесных тел. Все мы испытываем гравитационное притяжение Земли. Электромагнетизм объясняет большинство явлений, с которыми сталкивается человек в повседневной жизни. Два других взаимодействия короткодействующие. Они проявляются только на масштабах атомного ядра (объясняют альфа- и бета-распад) и становятся определяющими на более мелких масштабах.

В микромире ключевую роль играют квантовые свойства частиц. Для описания фундаментальных взаимодействий, однако, недостаточно обычной квантовой механики. Во-первых, квантовая механика является нерелятивистской теорией, то есть она верна для малых скоростей по сравнению со скоростью света. Во-вторых, квантовая механика не описывает процессы рождения и уничтожения частиц, которые происходят при взаимодействии частиц высоких энергий. Релятивистским обобщением (согласующимся с идеями специальной теории относительности) квантовой механики является квантовая теория поля.

Квантовая теория поля

В квантовополевых теориях частицы материи являются «квантами» (возмущениями) соответствующих полей. Взаимодействие между частицами переносится специальными полями. Предполагается, что частицы материи в процессе взаимодействия испускают и поглощают другие частицы — кванты поля-переносчика.

Первый успешный пример квантовой теории поля — квантовая электродинамика — был построен в работах Фейнмана, Швингера и Томонаги в середине двадцатого века, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1965 году. Квантовая электродинамика рассматривает взаимодействие между заряженными частицами (например, электронами и позитронами), возникающее вследствие обмена фотонами — квантами электромагнитного поля.

Вплоть до настоящего времени квантовая электродинамика остается самой точной физической теорией. Теоретические расчеты в рамках квантовой электродинамики совпадают с результатами экспериментов с точностью до 10⁻¹⁰.

Симметрия в физике элементарных частиц

Под симметрией физики понимают неизменность чего-либо при выполнении определенных преобразований. При этом большую роль играет симметрия законов, или уравнений. Например, уравнение

x² = 4

симметрично (то есть не меняется) относительно преобразования

x → −x

.

В физике симметрии играют двоякую роль. Во-первых, каждому типу симметрии физической системы соответствует сохраняющаяся величина. Например, из однородности времени (неизменность относительно преобразований t → t + Δt) следует закон сохранения энергии, из однородности пространства (неизменность относительно преобразований координат x → x + Δx) — закон сохранения импульса, из изотропности пространства (неизменность относительно поворотов) — закон сохранения момента импульса (момент импульса L = mvr характеризует «количество вращения» и является аналогом импульса p = mv).

Во-вторых, от новых физических теорий можно требовать выполнения различных симметрий. Чем больше таких требований — тем меньше произвол в построении теории.

Примером физической теории, обладающей симметрией, является обычная квантовая механика, оперирующая волновыми функциями. Волновая функция частицы — это комплексная функция, например, пространственных координат (грубо говоря, комплексное число в каждой точке). Ее можно рассчитать из уравнения Шрёдингера. Физический смысл имеет не сама волновая функция, а квадрат ее модуля, который показывает вероятность нахождения частицы в каком-либо месте.

Если все волновые функции умножить на одно и то же комплексное число с модулем 1, никакие предсказания теории не изменятся. Действительно, модуль произведения комплексных чисел равен произведению модулей, и от такого домножения никакие вероятности не изменяются.

Это пример так называемой глобальной симметрии (глобальной — потому, что волновая функция умножалась в разных точках на одно и то же число). Суть этой симметрии заключается в том, что теория не изменяется относительно некоторого класса преобразований (в нашем случае эти преобразования — умножение на произвольное комплексное число с модулем, равным 1).

Квантовая электродинамика обладает симметрией относительно преобразований, называемых калибровочными. Эти преобразования заключаются в домножении поля электронов на комплексное число с модулем 1 (правда, чтобы теория не изменялась, одновременно с преобразованием поля электронов нужно выполнить и некоторые другие преобразования электромагнитного поля). В отличие от рассмотренного выше случая квантовой механики, это число уже может быть в каждой точке различным (локальная симметрия).

Интересно отметить следующий момент. Как было сказано выше, с каждой симметрией связана сохраняющаяся величина. В случае калибровочных преобразований квантовой электродинамики такой сохраняющейся величиной является обычный электрический заряд.

В пятидесятых годах Янг и Миллс построили модель, уравнения которой не менялись под действием более сложных локальных калибровочных преобразований. Сначала интерес был исключительно математическим. Однако потом на основе теории Янга — Миллса были созданы основные теории взаимодействия элементарных частиц — теория электрослабых взаимодействий и квантовая хромодинамика. Эти теории, обладающие калибровочной симметрией, получили экспериментальное подтверждение.

Стандартная модель фундаментальных взаимодействий

В шестидесятых годах удалось объединить электромагнетизм и слабые взаимодействия. Салам, Глэшоу и Вайнберг построили теорию электрослабых взаимодействий. В 1979 году им была присуждена Нобелевская премия. Новая теория предсказала существование новых частиц, так называемых W- и Z-бозонов. Они отвечают за «перенос» слабого взаимодействия. Эти бозоны были открыты на протонном суперсинхротроне в 1983 году.

Казалось бы, каким образом можно объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, если у первых радиус взаимодействия бесконечен (действительно, мы видим свет — электромагнитное излучение — от удаленных галактик и других астрономических объектов), а у вторых он не превышает размеры атомного ядра? Оказывается, такая «несимметричность» связана с тем, что масса фотонов равна нулю, а масса W- и Z-бозонов очень большая, они примерно в 100 раз тяжелее протона.

Нарушение так называемой электрослабой симметрии является важным свойством теории электрослабых взаимодействий (этой симметрией обладают уравнения теории). В результате нарушения W- и Z-бозоны и некоторые другие частицы (например, электроны) приобретают массы.

В рамках модели Янга — Миллса калибровочные бозоны нельзя сделать массивными, не разрушив калибровочную симметрию. Для нарушения электрослабой симметрии был придуман механизм Хиггса. Основная идея заключается в том, что все пространство пронизывает специальное хиггсовское поле, которое взаимодействует с остальными полями и нарушает симметрию, хотя уравнения теории остаются симметричными. Возмущения хиггсовского поля должны проявляться на эксперименте как новые частицы — хиггсовские бозоны. Бозон Хиггса — очень тяжелая частица, тяжелее W- и Z-бозонов. Поэтому она пока не открыта экспериментально.

Теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, тоже основана на уравнениях Янга — Миллса. Квантовая хромодинамика говорит, что многие элементарные частицы — мезоны и барионы (например, протон) — состоят из кварков. Однако изолированные кварки никогда не наблюдались (это явление называется конфайнментом). Из-за сложности уравнений квантовой хромодинамики конфайнмент до сих пор не выведен из них напрямую. Кстати, решение уравнений Янга — Миллса и объяснение конфайнмента является одной из семи проблем тысячелетия, за которые институт Клэя назначил приз в миллион долларов.

Квантовая хромодинамика также находит подтверждение в ускорительных экспериментах. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий включает в себя модель электрослабых взаимодействий и квантовую хромодинамику. Стандартная модель оказалась в состоянии объяснить практически все экспериментальные данные, полученные к настоящему времени в физике элементарных частиц.

Суперсимметрия

Идея суперсимметрии

Перед тем, как перейти к обсуждению суперсимметрии, рассмотрим понятие спина. Спин — это собственный момент импульса, присущий каждой частице. Он измеряется в единицах постоянной Планка и бывает целым или полуцелым. Спин является исключительно квантовомеханическим свойством, его нельзя представить с классической точки зрения. Наивная попытка трактовать элементарные частицы как маленькие «шарики», а спин — как их вращение, противоречит специальной теории относительности, так как точки на поверхности шариков должны в таком случае двигаться быстрее света. Электроны обладают спином 1/2, фотоны — спином 1.

Суперсимметрия — это симметрия между частицами с целым и полуцелым спином. Идея суперсимметрии была предложена в теоретических работах Гольфанда и Лихтмана, Волкова и Акулова, а также Весса и Зумино около 40 лет назад. Вкратце она заключается в построении теорий, уравнения которых не изменялись бы при преобразовании полей с целым спином в поля с полуцелым спином и наоборот. С тех пор были написаны тысячи статей, суперсимметризации были подвергнуты все модели квантовой теории поля, был разработан новый математический аппарат, позволяющий строить суперсимметричные теории.

Стандартную модель фундаментальных взаимодействий, рассмотренную ранее, тоже можно сделать суперсимметричной. При этом решается ряд ее проблем. Рассмотрим некоторые из них.

Мотивировка суперсимметрии

Несмотря на огромные успехи Стандартной модели в объяснении экспериментальных данных, она обладает рядом теоретических трудностей, которые не позволяют Стандартной модели быть окончательной теорией, описывающей наш мир. Оказывается, часть этих трудностей может быть преодолена при суперсимметричном расширении Стандартной модели.

Объединение констант связи

Гипотеза великого объединения, которой придерживаются многие физики, говорит, что различные фундаментальные взаимодействия есть проявления одного, более общего, взаимодействия. Это взаимодействие должно проявляться при огромных энергиях (по различным оценкам, энергия великого объединения в 10¹³ или даже в 10¹⁶ раз превосходит энергию, доступную современным ускорителям элементарных частиц). При понижении энергии от объединенного взаимодействия «отщепляется» сначала гравитационное взаимодействие, потом сильное, а в завершение электрослабое взаимодействие распадается на слабое и электромагнитное.

В Стандартной модели, однако, электрослабое и сильное взаимодействия объединены лишь формально. Они могут оказаться разными проявлениями общего взаимодействия, а могут и не оказаться. Тем не менее, анализ экспериментальных результатов дает некоторые подсказки к вопросу о существовании великого объединения.

У каждого из фундаментальных взаимодействий есть величина, которая характеризует его интенсивность. Эта величина называется константой взаимодействия. Константа электромагнитных взаимдействий просто равна заряду электрона. В случае сильных и слабых взаимодействий ситуация несколько сложнее.

Одно из интересных свойств квантовой теории поля состоит в том, что константа взаимодействия на самом деле не константа — она меняется при изменении характерных энергий процессов с участием элементарных частиц, причем теория может предсказать характер этой зависимости.

В частности, это означает, что при приближении к электрону на расстояния, гораздо меньшие размеров атома, начинает меняться его заряд! Причем такое изменение, обусловленное квантовыми эффектами, подтверждено экспериментальными данными, например, небольшим изменением уровней энергии электронов в атоме водорода (лэмбовский сдвиг).

Константы электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий измерены с достаточной точностью для того, чтобы можно было вычислить их изменение с ростом энергии. Результаты изображены на рисунке. В Стандартной модели (графики слева) нет таких энергий, где произошло бы объединение констант взаимодействий. А в минимальном суперсимметричном расширении Стандартной модели (графики справа) такая точка имеется. Это значит, что суперсимметрия в физике элементарных частиц обладает приятным свойством — в ее рамках возможно великое объединение!

Эволюция калибровочных констант связи с ростом масштаба энергии в Стандартной модели и МССМ.

Объединение с гравитацией

Стандартная модель не включает гравитационное взаимодействие. Оно совершенно незаметно в ускорительных экспериментах из-за малых масс элементарных частиц. Однако при больших энергиях гравитация может стать существенной.

Современная теория гравитационных взаимодействий — общая теория относительности — является классической теорией. Квантовое обобщение этой теории, без сомнения, стало бы самой общей физической теорией, если бы было построено. Помимо отсутствия каких бы то ни было экспериментальных данных, имеются серьезные теоретические препятствия в построении теории квантовой гравитации.

В объединении гравитации с остальными взаимодействиями также есть трудности. Переносчик гравитационного взаимодействия, гравитон, должен иметь спин 2, в то время как спин переносчиков остальных взаимодействий (фотон, W- и Z-бозоны, глюоны) равен 1. Чтобы «перемешать» эти поля, нужно преобразование, меняющее спин. А преобразование суперсимметрии как раз и есть такое преобразование. Оно уменьшает спин частицы на 1/2 и, следовательно, может перемешивать частицы с разными спинами. Таким образом, объединение с гравитацией в рамках суперсимметрии вполне естественно.

Природа темной материи Вселенной

Суперсимметрия может объяснить некоторые результаты исследований в космологии. Один из таких результатов заключается в том, что видимая (светящаяся) материя составляет не всю материю во Вселенной. Значительное количество энергии приходится на так называемую темную материю и темную энергию.

Прямым указанием на существование темной материи являются зависимости скоростей звезд в спиральных галактиках от их расстояния до центра. Эту зависимость легко вычислить. Оказывается, экспериментальные данные существенно расходятся с предсказаниями теории.

Расхождение объясняют тем, что галактики находятся в «облаках» темной материи. Частицы темной материи взаимодействуют только гравитационно. Поэтому они группируются вокруг галактик (правильнее было бы сказать, что обычная материя группируется вокруг сгустков темной материи) и искажают распределение масс в галактике.

Реликтовое излучение — равновесное тепловое излучение, заполняющее Вселенную. Это излучение отделилось от вещества на ранних этапах расширения Вселенной, когда электроны объединились с протонами и образовали атомы водорода (рекомбинация). Тогда Вселенная была в 1000 раз моложе, чем сейчас. Нынешняя температура реликтового излучения составляет примерно 3 K.

Недавние высокоточные измерения распределения температуры реликтового излучения по небу в эксперименте WMAP показали, что общая энергия Вселенной распределена между темной энергией (73%), темной материей (23%) и обычной материей (4%), то есть темная материя составляет значительную часть, превосходящую во много раз долю видимой материи.

В Стандартной модели нет подходящих частиц для объяснения темной материи. В то же время в некоторых суперсимметричных моделях есть прекрасный кандидат на роль холодной темной материи, а именно нейтралино — легчайшая суперсимметричная частица. Она стабильна, так что реликтовые нейтралино могли бы сохраниться во Вселенной со времен Большого взрыва.

Что касается темной энергии, ее природа в рамках современных физических теорий совершенно непонятна. Это настоящий вызов физикам двадцать первого века. Темную энергию можно интерпретировать как собственную энергию вакуума, однако при этом возникают огромные несоответствия между теоретическими оценками и наблюдаемым значением плотности темной энергии. Существование темной энергии приводит к наблюдаемым следствиям — ускоренному расширению Вселенной в настоящее время.

МССМ

Для построения суперсимметричных моделей был развит математический аппарат, останавливаться на котором здесь нет никакой возможности. Однако, несмотря на всю сложность математического аппарата, суперсимметричные теории обладают рядом простых особенностей.

К одной из таких особенностей относится удвоение числа частиц. Каждая частица приобретает суперпартнера — частицу, обладающую точно такими же свойствами, за исключением спина, отличающегося на 1/2.

В Стандартной модели нет частиц, которые могли бы быть суперпартнерами друг друга. Следовательно, в суперсимметричных расширениях Стандартной модели каждая частица приобретает своего суперпартнера — новую частицу. Минимальная суперсимметричная Стандартная модель (МССМ) требует для построения меньше всего новых частиц.

Другой важной особенностью суперсимметричных моделей является нарушение суперсимметрии. Если бы такого нарушения не было, суперпартнеры имели такие же массы, что и обычные частицы. Однако новые частицы с массами известных частиц Стандартной модели никогда не наблюдались. Также без нарушения суперсимметрии не работал бы хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии.

Чтобы применять суперсимметричные модели в физике высоких энергий, необходимо потребовать нарушение суперсимметрии. При этом суперпартнеры могут приобрести большие массы, чем можно объяснить их ненаблюдение в настоящее время.

Конкретный механизм нарушения суперсимметрии сейчас неизвестен. Это существенно снижает предсказательную силу модели, так как в ней появляется большое число свободных параметров, подбирая которые, можно получать произвольные следствия. Некоторые соображения, например, гипотеза великого объединения, позволяют ограничить число свободных параметров. Исследование ограничений на параметры суперсимметричных моделей является одним из важных направлений в исследовании физики за пределами Стандартной модели.

Экспериментальный статус суперсимметричных моделей

Суперсимметрия является одним из основных кандидатов на роль новой теории в физике элементарных частиц за рамками Стандартной модели. Поиски различных проявлений суперсимметрии в природе были одной из главных задач многочисленных экспериментов на коллайдерах (LEP — большой электрон-позитронный коллайдер и Тэватрон) и в неускорительных экспериментах на протяжении нескольких десятилетий.

К сожалению, результат пока отрицательный. Нет никаких прямых указаний на существование суперсимметрии в физике элементарных частиц, хотя имеющиеся суперсимметричные модели в целом не запрещены имеющимися теоретическими и экспериментальными требованиями.

LHC (большой адронный коллайдер) — новый ускоритель, построенный в ЦЕРНе. Его энергия в семь раз превосходит энергию действующего американского ускорителя Тэватрона. В большинстве суперсимметричных моделей массы новых частиц лежат в области, доступной LHC. Предполагается, что на LHC будет открыт бозон Хиггса и суперсимметричные частицы. В новых экспериментах низкоэнергетическая суперсимметрия будет либо обнаружена, либо исключена.

Хотя суперсимметрия и не открыта на опыте, различные суперсимметричные модели могут быть исследованы уже сейчас. Во-первых, следует исключить модели, в которых новые частицы имеют недостаточно большие массы, к настоящему времени уже закрытые экспериментально. Во-вторых, расхождения некоторых экспериментальных данных и теоретических предсказаний Стандартной модели могут объясняться вкладом суперсимметричных частиц, и с этой точки зрения некоторые суперсимметричные модели оказываются предпочтительнее других.

Многие специалисты в физике высоких энергий исследуют различные варианты суперсимметричных моделей и их следствия. Вполне возможно, что одна из таких моделей будет подтверждена на ускорителе LHC.

Большой адронный коллайдер очень скоро снова заработает с удвоенной скоростью. Физики полагают, что столкновения частиц на околосветовых скоростях помогут раскрыть целый набор новых частиц, открывающих изнанку физики: суперсимметрию. В прошлый раз мы немного затронули эту тему, пришло время обсудить, что это за суперсимметрия и зачем она нам.

На данный момент главенствующей теорией физики элементарных частиц является Стандартная модель. Она отлично объясняет, как взаимодействуют основные строительные блоки материи, создавая Вселенную, которую мы видим вокруг.

Стандартная модель — лучшее описание, которое у нас есть, но оно далеко от совершенства.

Неполная теория

Стандартная модель образовалась в 1970-х годах. Это набор уравнений, который описывает, как все известные элементарные частицы взаимодействуют с четырьмя фундаментальными силами: сильным и слабым взаимодействием, электромагнетизмом и гравитацией.

«Есть некоторые вещи, которых Стандартная модель не может объяснить, — говорит физик Джордж Редлинджер из Брукхейвенской лаборатории, которая работает над экспериментом ATLAS на БАК. — Потому мы знаем, что это неполная теория».

Стандартная модель отлично связывает первые три из этих четырех фундаментальных сил, но не касается гравитации. Гравитация настолько слабая сила, что даже игрушечный магнит может ее побороть. Остальные три силы намного сильнее. Гравитация имеет крайне важное значение для физики, и ее поведение описывает общая теория относительности Эйнштейна.

Стандартная модель также не может объяснить присутствие таинственного вещества под названием темная материя, которое удерживает галактики вместе. И не может объяснить, почему во Вселенной намного больше материи, чем антиматерии, хотя должно быть равное количество.

Суперсимметрия — это расширение Стандартной модели, которое могло бы помочь заполнить некоторые из этих недостатков. Она прогнозирует, что каждая частица в Стандартной модели может обладать пока не обнаруженным партнером. Это касается даже знакомых нам частиц вроде электронов. Суперсимметрия предсказывает, что у электронов есть партнеры «селектроны», у фотонов — «фотино» и так далее.

Вот все пробелы в физике, которые может исправить суперсимметрия.

Суперсимметрия может объяснить, почему бозон Хиггса такой легкий

Несмотря на то, что Стандартная модель предсказала существование бозона Хиггса, его обнаружение проделало еще одну трещину в теории. Хиггс, который физики наблюдали на БАК в 2012 году, намного легче, чем ожидалось. Стандартная модель предсказывает, что бозон Хиггса в триллионы раз тяжелее, чем тот, что наблюдали физики во время первого запуска БАК, как говорит Дон Линкольн, физик из Лаборатории Ферми.

Будучи частицей, которая дает массу другим частицам, Хиггс должен быть очень тяжелым, поскольку взаимодействует с огромным числом частиц. Частицы-партнеры, предсказываемые суперсимметрией, могли бы поправить это. Если они существуют, эти дополнительные частицы отменяли бы вклад партнеров в массу Хиггса. Потому бозон Хиггса был бы легким, как мы его и наблюдали.

Это естественное объяснение куда более желательно, чем внесение корректировок в существующую Стандартную модель. Когда вы вынуждены править теории, объясняющие то, что вы в действительности наблюдаете, это знак того, что «вы на самом деле не знаете, что делаете», говорит Линкольн, а эта теория, по всей видимости, неправильная или неполная.

Частицы Стандартной модели во внутреннем круге; суперсимметричные партнеры — во внешнем

Суперсимметрия может объяснить темную материю

Темная материя невидима и до сих пор не обнаружена, но тем не менее на нее приходится до 27% всей материи во вселенной.

Самые легкие суперсимметричные частицы, предсказываемые в рамках теории, могут быть неуловимыми частицами темной материи, на которые охотятся физики десятилетиями. Суперсимметрия предсказывает, что у этой частицы будет нейтральный заряд и она едва ли будет взаимодействовать с любой другой частицей. Примерно такое описание физики ждут от частиц темной материи.

Темная материя невидима, поэтому частицы, из которых она состоит, должны быть нейтральными, иначе будут рассеивать свет и станут видимыми. Эти частицы также ни с чем не взаимодействуют, иначе мы бы их уже обнаружили.

Суперсимметрия указала бы в направлении универсальной теории в физике

Главная цель физики — постоянно конденсировать наше понимание вселенной все более простыми терминами.

К примеру, теперь мы понимаем, что гравитация, которая привела к падению яблока на голову Ньютона, — это та же гравитация, которая управляет планетами и звездами. И теперь мы знаем, что законы электричества и законы магнетизма — просто два закона, которые определяют единую фундаментальную силу электромагнетизма.

Если суперсимметричные частицы включены в Стандартную модель, они бы тесно связали три из четырех фундаментальных сил, которые описываются Стандартной моделью: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие. Суперсимметрия будет означать, что все эти три силы будут обладать одной и той же силой на очень высоких энергетических уровнях.

Многомерное пространство Калаби-Яу

В частности, суперсимметрия может укрепить теорию струн. Суперсимметрия часто описывается как трамплин для теории струн — чтобы она стала возможной, необходима некоторая версия суперсимметрии.

Теория струн остается одним из ведущих кандидатов на «теорию всего», которая объединит всю физику. Тем не менее проверить ее экспериментально чрезвычайно трудно.

«Энергия структур, с которыми имеет дело теория струн, настолько высока, что мы, вероятно, никогда не воспроизведем ее в лаборатории», — говорит Стивен Вайнберг.

Тем не менее открытие суперсимметрии по крайней мере даст апологетам теории струн знать, что они идут в правильном направлении.

Как разлетаются бозоны

Физики думают, что мы найдем доказательства суперсимметрии?

Несмотря на десятилетия поисков, никто не нашел никаких доказательств суперсимметрии. Впрочем, великие теории открывались не за два-три года. К примеру, почти полвека понадобилось на то, чтобы открыть бозон Хиггса с момента теоретического предположения его существования. Потому, хотя мы и не видим доказательств суперсимметрии, эта теория остается очень мощной.

«Это настолько прекрасная идея, что она обязана быть правильной», — говорит Редлинджер.

Тем не менее Вселенной абсолютно все равно, насколько идеальными наши теории ни казались бы, говорит Линкольн. Многие физики говорят, что мы должны были найти доказательства суперсимметричных частиц уже в первый запуск БАК, поэтому теория вполне может быть не ахти.

Но только потому, что мы не видели каких-либо суперсимметричных частиц, еще не означает, что их нет. Может быть, есть что-то в том, как суперсимметрия проявляется, чего мы пока не понимаем. Может, нужен более мощный коллайдер, чтобы частицы-суперпартнеры проявили себя.

Мы не узнаем этого, пока БАК не заработает. Обновленный ускоритель частиц будет работать на 60% сильнее, чем раньше, перейдет от 360 миллионов столкновений в секунду до 700 миллионов столкновений в секунду. Если суперсимметрия была вне досягаемости по уровню энергии во время последнего запуска, данные этого года могут быть совершенно неописуемыми.

Конечно, мы можем ничего и не найти. Но это тоже пойдет нам на пользу.

Если суперсимметрия ошибочна, это откроет дверь к новому набору теорий. Также появится больше доверия к другим теориям, вроде идеи о мультивселенной, к которой никогда не было особого доверия. Ждем запуска.