En Higgs-boson förfaller i denna kollision som registrerades av ATLAS-detektorn den 18 maj 2012.
(Bild: © ATLAS)
Paul M. Sutter är en astrofysiker vid SUNY Stony Brook och Flatiron Institute, värd Fråga en Spaceman och Space Radio, och författare till "Din plats i universum."Sutter bidrog med den här artikeln till Space.coms expertröster: Op-Ed & Insights.
Symmetrier i naturen driver vår grundläggande förståelse av kosmos, från tyngdkraftens universalitet till enhetens naturens krafter vid höga energier.
På 1970-talet avslöjade fysiker en potentiell symmetri som förenade alla typer av partiklar i vårt universum, från elektronerna till fotonerna och allt däremellan. Denna anslutning, känd som supersymmetri, förlitar sig på den konstiga kvantegenskapen hos spin, och har potentiellt nyckeln till att låsa upp en ny förståelse av fysik.
Symmetrier är effekt
Under århundraden har symmetrier gjort det möjligt för fysiker att hitta underliggande samband och grundläggande relationer i hela universum. När Isaac Newton klickade först på idén att tyngdekraften som drar ett äpple från ett träd är exakt samma kraft som håller månen i omloppsbana runt solen, han upptäckte en symmetri: tyngdelagarna är verkligen universella. Denna insikt tillät honom att göra ett enormt språng när han förstår hur naturen fungerar.
Under 1800-talet undrade fysiker runt om i världen över de konstiga egenskaperna elektricitet, magnetism och strålning. Vad fick elektrisk ström att strömma ner genom en tråd? Hur kan en roterande magnet skjuta samma ström runt? Var ljus en våg eller en partikel? Årtionden av svår fundering kulminerade i ett rent matematiskt genombrott av James Clerk Maxwell, som förenade alla dessa distinkta grenar av undersökningar under en enda uppsättning enkla ekvationer: elektromagnetism.
Albert Einstein gjorde sitt märke också genom att ta Newtons insikter ett steg längre. Han tog till största möjliga del att alla fysiska lagar ska vara desamma oavsett din position eller hastighet, avslöjade han speciell relativitet; föreställningarna om tid och rum måste skrivas om för att bevara denna symmetri av naturen. Och att lägga tyngdkraft till den blandningen ledde honom till allmän relativitet, vår moderna förståelse av den kraften.
Även våra bevarandelagar - bevarande av energi, bevarande av fart och så vidare - beror på symmetri. Det faktum att du kan köra ett experiment dag efter dag och få samma resultat avslöjar en symmetri genom tiden, som genom det matematiska geniet av Emmy Noether leder till lagen om konversation av energi. Och om du plockar upp ditt experiment och flyttar det över rummet och fortfarande får samma resultat, avslöjade du bara en symmetri genom rymden och motsvarande bevarande av fart.
En snurrande spegel
I den makroskopiska världen sammanfattar det nästan alla symmetrier som vi har stött på i naturen. Men den subatomära världen är en annan historia. De grundläggande partiklarna av vårt universum har en intressant egendom som kallas "spin". Det upptäcktes först i experiment som sköt atomer genom ett varierat magnetfält, vilket fick deras banor att avböjas på exakt samma sätt som en snurrande, elektriskt laddad metallkula.
Men subatomära partiklar snurrar inte, elektriskt laddade metallbollar; de fungerar precis som dem i vissa experiment. Och till skillnad från deras vanliga världsanaloger kan subatomära partiklar inte ha någon rotationsmängd de önskar. Istället får varje typ av partikel sin egen unika mängd snurr.
Av olika otydliga matematiska skäl kan vissa partiklar som elektronen ha ett snurr på ½, medan andra partiklar som fotonen får ett snurr på 1. Om du undrar hur en foton eventuellt kan uppträda som en snurrad laddad metallkula, då svett inte för mycket; du är fri att bara tänka på "snurra" som ännu en egenskap hos subatomära partiklar som vi måste hålla reda på, som deras massa och laddning. Och vissa partiklar har mer av den här egenskapen, och andra har mindre.
I allmänhet finns det två stora "familjer" av partiklar: de med halv-heltal (1/2, 3/2, 5/2, etc.) snurr, och de med hel-heltal (0, 1, 2, etc. .) snurra. Halvtiotalet kallas "fermioner" och består av byggstenarna i vår värld: elektroner, kvarkar, neutrinoer och så vidare. Wholsies kallas "bosoner" och är bärare av naturens krafter: fotoner, gluoner och resten.
Vid första anblicken kunde dessa två familjer av partiklar inte vara annorlunda.
Spartiklarnas symfoni
På 1970-talet sträng teoretiker började titta kritiskt på den här egenskapen av snurra och började undra om det kan finnas en symmetri av naturen där. Idén expanderade snabbt utanför strängsamhället och blev ett aktivt forskningsområde över partikelfysik. Om det är sant skulle denna "supersymmetri" förena dessa två till synes olikartade familjer av partiklar. Men hur skulle denna supersymmetri se ut?
Den grundläggande kärnan är att i supersymmetri skulle varje fermion ha en "superpartnerpartikel" (eller "spartikel" för kort - och namnen kommer bara att bli värre) i bosonvärlden, och vice versa, med exakt samma massa och ladda men en annan snurr.
Men om vi letar efter spartiklarna, hittar vi inga. Till exempel bör elektronens spartikel ("selektronet") ha samma massa och laddning som elektronen, men en snurr på 1.
Den partikeln finns inte.
Så på något sätt måste denna symmetri brytas i vårt universum och driva upp massorna på spartiklarna utanför räckvidden för våra partikelkolliderare. Det finns många olika sätt att uppnå supersymmetri, alla förutsäger olika massor för selektronerna, stoppkvarkerna, sneutrinoerna och alla andra.
Hittills har inga bevis för supersymmetri hittats och experiment på Stor Hadron Collider har uteslutit de enklaste supersymmetriska modellerna. Även om det inte är den sista spiken i kistan, skrapar teorikerna på huvudet och undrar om supersymmetri inte verkligen finns i naturen, och vad vi borde tänka på nästa om vi inte kan hitta någonting.
- Universum: Big Bang till nu i 10 enkla steg
- "Supergravity" -teoretiker vinner $ 3 miljoner fysik genombrottpris
- Mystiska partiklar som spyr från Antarktis trotsar fysiken
Läs mer genom att lyssna på avsnittet "Är strängteori värt det? (Del 4: Det vi behöver är en superhjälte)" på Ask A Spaceman-podcast, tillgänglig på iTunes, och på webben kl http://www.askaspaceman.com. Tack till 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. för de frågor som ledde till detta stycke! Ställ din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa Paul @PaulMattSutter och facebook.com/PaulMattSutter. Följ oss på Twitter @Spacedotcom eller Facebook.
