Supersymetria: teória superčastíc, tmavej hmoty a M-teórie

Supersymetria: ako superčastice, tmavá hmota a M-teória (až 11 rozmerov) môžu prevrátiť fyziku — výzvy, dôkazy a neúspešné hľadanie v LHC.

Supersymetria je vedecká teória, ktorá hovorí, že keď na začiatku vesmíru vznikli elementárne častice (ako fotóny, elektróny a kvarky), vznikli aj zodpovedajúce druhy teoretických "superčastíc". Ak je táto teória pravdivá, znamenalo by to minimálne zdvojnásobenie druhov častíc vo vesmíre. Ak má vesmír ďalšie rozmery (M-teória Edwarda Wittena ich predpovedá až 11), potom by existovalo aj viac spôsobov symetrie a viac druhov superčastíc.

Mnohí vedci dúfajú, že sa im podarí dokázať supersymetriu, pretože vypĺňa mnohé medzery v štandardnom modeli fyziky (vrátane tmavej hmoty) a podporila by myšlienky teórie strún. Experimenty vo Veľkom hadrónovom urýchľovači však doteraz nenašli dôkaz supersymetrie.

Čo znamená supersymetria v praxi?

Základná myšlienka supersymetrie je, že ku každej bežnej častici existuje partner (superčastica) s iným spinom: fermióny (častice so spinom 1/2, ktoré tvoria hmotu) majú bosónové superpartnery (celospinové), a naopak bosóny (nositelia síl) majú fermiónové superpartnery. Táto symetria rozširuje bežnú Poincarého symetriu priestoru a času o nové operátory (tzv. supersymetrické generátory).

Prečo je supersymetria považovaná za zaujímavú?

• Riešenie hierarchického problému: supersymetria môže potlačiť veľké kvantové opravy hmotnosti Higgsovho bozóny, čím vysvetľuje, prečo je jeho hmotnosť relatívne malá v porovnaní s planckovskou mierkou.
• Jednotenie síl: pri započítaní supersymetrických častíc sa behom evolúcie silových konštánt k vyšším energiám lepšie zbiehajú do jednej spoločnej hodnoty, čo podporuje myšlienku veľkého zjednotenia (GUT).
• Kandidát na tmavú hmotu): v mnohých modeloch má najľahší supersymetrický partner (LSP) potrebné vlastnosti byť stabilnou, elektroneutrálnou a slaboineragujúcou časticou — teda vhodným kandidátom na tmavú hmotu (typickým príkladom je neutralíno alebo gravitíno v závislosti od scenára).
• Podpora teórie strún a supergravitácie: supersymetria je prirodzenou súčasťou mnohých konštrukcií v teórii strún a v supergravitácii; M-teória, ktorá spája rôzne verzie teórie strún, prirodzene pracuje s vyšším počtom dimenzií a supersymetriou.

Aké sú superčastice a ako sa nazývajú?

V praktických modeloch sa často používajú konvencie názvov:

• Pre fermiónové partnerky bežných bosónov sa používa prípona -íno (napr. fotíno / photino, gluíno / gluino, charginá a neutralíno v konkrétnych modeloch).
• Pre bosónové partnerky fermiónov sa používa prefix s- (napr. selektrón alebo bežne selektrón sa v slovenčine často nazýva selektron — anglicky selectron; s-kvarky / squarks).
• Špeciálne: lokálna supersymetria (supergravitácia) prináša gravitíno — fermiónový partner gravitonu.

Prečo sme superčastice ešte nenašli?

Aby boli kompatibilné s observáciami (faktom, že sme tieto častice zatiaľ nepozorovali), musí byť supersymetria „zlomená“ — to znamená, že superpartnery majú vyššie hmotnosti než ich štandardné protějšky. Mechanizmy brečenia supersymetrie (tzv. soft supersymmetry breaking, spontánne zlomenie) určujú spektrum hmotností. V dôsledku toho môžu byť superčastice príliš ťažké na to, aby ich súčasné urýchľovače vytvorili, alebo ich signál môže byť skrytý v komplikovaných koncoch rozpadových reťazcov.

Experimentálne hľadanie a súčasný stav

Hlavné hľadanie supersymetrie prebieha v urýchľovačoch častíc (predovšetkým v Veľkom hadrónovom urýchľovači) a v experimentoch hľadajúcich tmavú hmotu (+ nepriamych detekciách z rozpadu alebo anihilácie). Typické experimentálne signály zahŕňajú chýbajúcu transverzálnu energiu (MET), viacjetové udalosti, leptóny v konečnom stave, prípadne dlhožijúce nabité či neutrálne častice s nezvyčajnými stopami.

Do teraz LHC uložil silné obmedzenia na hmotnosti niektorých superpartnerov — najmä pre silno interagujúce častice ako gluíno a squarky sú limity v rade stoviek GeV až niekoľkých TeV v závislosti od konkrétneho modelu. Slabšie interagujúce partnery (elektroslabé inos) a scenáre s komprimovaným spektrom zostávajú ťažko prístupné a sú stále testované. Okrem toho výsledky z priamych detektívov tmavej hmoty (napr. XENON, LUX/PandaX a ďalšie) a nepriamych pozorovaní (satelitné gama-teleskopy, neutrínové teleskopy) kladú ďalšie obmedzenia na možné kandidáty.

Existujú však modely (napr. komprimované spektrá, split-SUSY, R-parita lámavé varianty), ktoré vysvetľujú, prečo bolo doteraz ticho — a preto supersymetria stále zostáva realistickou možnosťou v niektorých častiach parametra priestoru.

Varianty teórie a súvislosť s M-teóriou

Najjednoduchším a najpreskúmanejším modelom je Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). Existujú však rozšírenia (NMSSM a ďalšie), ktoré pridávajú nové polia a menia fenoménológiu. V teórii strún a v M-teórii je supersymetria takmer neoddeliteľnou súčasťou — v prostredí vyšších dimenzií a brán sa supersymetrické mechanizmy spájajú s geometriou extra dimenzií, čo môže viesť k bohatému spektru častíc a novým spôsobom, ako zlomiť supersymetriu.

Aký je záver?

Supersymetria zostáva jedným z najsystematickejších a teoreticky najpríťažlivejších rozšírení štandardného modelu. Ponúka riešenia viacerých otvorených otázok (hierarchia, jednota síl, kandidát na tmavú hmotu) a úzko korešponduje s pokročilými koncepciami v teórii strún a M-teórii. Súčasné experimentálne limity zúžili dostupný priestor parametrov, ale nezatvorili ho úplne — ďalšie dáta z LHC, budúce urýchľovače a nekolajové detektory tmavej hmoty budú rozhodujúce pre potvrdenie alebo vylúčenie veľkej časti supersymetrických modelov.

Supersymetriu navrhol Hironari Miyazawa (nar. 1927) už v 60. rokoch 20. storočia (prvá známa práca pochádza z roku 1966).

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to supersymetria?

Otázka: Koľko druhov častíc by supersymetria vytvorila?

Otázka: Koľko ďalších rozmerov predpovedá M-teória?

Otázka: Aké medzery v štandardnom modeli fyziky by supersymetria vyplnila?

Otázka: Aký je vzťah medzi supersymetriou a teóriou strún?

Otázka: Čo je to Veľký hadrónový urýchľovač?

Otázka: Podarilo sa pri experimentoch s Veľkým hadrónovým urýchľovačom doteraz nájsť dôkazy o supersymetrii?

Hľadajte podľa písmena