Boson Higgs mereput dalam perlanggaran ini yang direkodkan oleh pengesan ATLAS pada 18 Mei 2012.
(Imej: © ATLAS)
Paul M. Sutter ialah ahli astrofizik di SUNY Stony Brook dan hos Institut Flatiron Tanya Spaceman dan Radio Angkasa, dan pengarang "Tempat Anda di Alam Semesta."Sutter menyumbang artikel ini kepada Suara Pakar Space.com: Op-Ed & Wawasan.
Simetri secara semula jadi memberi kekuatan kepada pemahaman asas kita tentang kosmos, dari universaliti graviti hingga penyatuan kekuatan alam pada tenaga yang tinggi.
Pada tahun 1970-an, ahli fizik menemui simetri yang berpotensi menyatukan semua jenis zarah di alam semesta kita, dari elektron hingga foton dan semua yang ada di antaranya. Hubungan ini, dikenali sebagai supersimetri, bergantung pada sifat spin kuantum yang pelik, dan berpotensi memegang kunci untuk membuka pemahaman baru mengenai fizik.
Simetri adalah kekuatan
Selama berabad-abad, simetri telah membolehkan ahli fizik mencari hubungan dan hubungan asas di seluruh alam semesta. Bila Isaac Newton pertama kali mengklik idea bahawa graviti yang menarik sebiji epal dari pokok adalah kekuatan yang sama yang membuat bulan berada di orbit mengelilingi matahari, dia menemui simetri: undang-undang graviti benar-benar universal. Pandangan ini memungkinkan dia membuat lompatan besar dalam memahami bagaimana alam berfungsi.
Sepanjang tahun 1800-an, ahli fizik di seluruh dunia bingung dengan sifat elektrik, magnet dan radiasi yang pelik. Apa yang menyebabkan arus elektrik mengalir ke wayar? Bagaimana magnet berputar boleh mendorong arus yang sama? Adakah cahaya gelombang atau zarah? Dekad sukar difikirkan berpuncak pada penembusan matematik yang bersih oleh James Clerk Maxwell, yang menyatukan semua cabang penyelidikan yang berbeza ini dalam satu set persamaan mudah: elektromagnetisme.
Albert Einstein berjaya juga dengan mengambil pandangan Newton selangkah lebih jauh. Mengambil sebagai pepatah bahawa semua undang-undang fizikal harus sama tanpa mengira kedudukan atau kecepatan anda, katanya relativiti khas; tanggapan masa dan ruang harus ditulis semula untuk mengekalkan simetri alam ini. Dan menambahkan graviti pada campuran itu menyebabkannya relativiti am, pemahaman moden kita mengenai kekuatan itu.
Malah undang-undang pemuliharaan kita - pemuliharaan tenaga, pemeliharaan momentum dan sebagainya - bergantung pada simetri. Fakta bahawa anda boleh menjalankan eksperimen hari demi hari dan memperoleh hasil yang sama menunjukkan simetri sepanjang masa, yang melalui genius matematik Emmy Noether membawa kepada undang-undang percakapan tenaga. Dan jika anda mengambil percubaan anda dan menggerakkannya ke seberang ruangan dan masih mendapat hasil yang sama, anda hanya menemui simetri melalui ruang, dan pemeliharaan momentum yang sesuai.
Cermin berputar
Di dunia makroskopik, itu merangkumi semua simetri yang kita temui secara semula jadi. Tetapi dunia subatomik adalah cerita yang berbeza. Zarah asas dari alam semesta kita mempunyai harta yang menarik yang dikenali sebagai "spin." Ini pertama kali ditemui dalam eksperimen yang menembak atom melalui medan magnet yang bervariasi, menyebabkan jalan mereka terpesong dengan cara yang sama seperti bola logam yang berputar dan bermuatan elektrik.
Tetapi zarah subatom tidak berputar, bebola logam bermuatan elektrik; mereka hanya bertindak seperti mereka dalam eksperimen tertentu. Dan tidak seperti analog dunia biasa mereka, zarah subatom tidak dapat mempunyai jumlah putaran yang mereka inginkan. Sebaliknya, setiap jenis zarah mendapat jumlah putaran yang tersendiri.
Untuk pelbagai alasan matematik yang tidak jelas, sebilangan zarah seperti elektron mempunyai putaran ½, sementara zarah lain seperti foton mendapat putaran 1. Sekiranya anda tertanya-tanya bagaimana foton boleh berkelakuan seperti bola logam bermuatan berputar, maka jangan terlalu banyak berpeluh; anda bebas hanya memikirkan "putaran" sebagai sifat zarah subatom lain yang harus kita awasi, seperti jisim dan casnya. Sebilangan zarah mempunyai lebih banyak sifat ini, dan sebahagiannya mempunyai lebih sedikit.
Secara amnya, terdapat dua "keluarga" zarah-zarah yang hebat: yang mempunyai putaran separuh bulat (1/2, 3/2, 5/2, dll.), Dan yang mempunyai bilangan bulat bulat (0, 1, 2, dll. .) berpusing. The halfsies disebut "fermion" dan terdiri dari blok bangunan dunia kita: elektron, quark, neutrino dan sebagainya. Wholsies disebut "boson" dan merupakan pembawa kekuatan alam: foton, gluon, dan yang lain.
Pada pandangan pertama, kedua-dua keluarga zarah ini tidak mungkin berbeza.
Simfoni spartikel
Pada tahun 1970-an, ahli teori tali mula melihat secara kritikal sifat berputar ini dan mula bertanya-tanya apakah mungkin ada simetri alam di sana. Idea dengan cepat berkembang di luar komuniti tali dan menjadi bidang penyelidikan aktif di seluruh fizik zarah. Sekiranya benar, "supersimetri" ini akan menyatukan kedua-dua keluarga zarah yang nampaknya berbeza. Tetapi seperti apa supersimetri ini?
Inti asasnya ialah, dalam supersimetri, setiap fermion akan mempunyai "partikel superpartner" (atau "sparticle" untuk pendek - dan namanya hanya akan menjadi lebih buruk) di dunia boson, dan sebaliknya, dengan jisim yang sama persis dan cas tetapi putaran yang berbeza.
Tetapi jika kita mencari spartikel, kita tidak menjumpainya. Contohnya, spartikel elektron ("selectron") harus mempunyai jisim dan muatan yang sama dengan elektron, tetapi putaran 1.
Zarah itu tidak ada.
Jadi, entah bagaimana, simetri ini mesti dipecahkan di alam semesta kita, mendorong massa spartikel di luar julat collider zarah kita. Terdapat banyak cara yang berbeza untuk mencapai supersimetri, semuanya meramalkan jisim yang berlainan untuk selekron, kuark berhenti, sneutrinos dan semua orang.
Sehingga kini, belum ada bukti untuk supersimetri dan eksperimen di Collider Hadron Besar telah menolak model supersimetri termudah. Walaupun ini bukan kuku terakhir di dalam keranda, para ahli teori menggaru-garu kepala mereka, bertanya-tanya apakah supersimetri sebenarnya tidak terdapat di alam semula jadi, dan apa yang harus kita fikirkan seterusnya sekiranya kita tidak menemui apa-apa.
- The Universe: Big Bang hingga sekarang dalam 10 langkah mudah
- Ahli teori 'Supergraviti' memenangi Hadiah Terobosan Fizik $ 3 juta
- Zarah-zarah misteri yang memuntahkan dari Antartika menentang fizik
Ketahui lebih lanjut dengan mendengar episodnya "Adakah teori rentetan bernilai? (Bahagian 4: Apa yang kita perlukan adalah superhero)" pada podcast Ask A Spaceman, tersedia di iTunes, dan di Web di http://www.askaspaceman.com. Terima kasih kepada 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. untuk soalan yang membawa kepada bahagian ini! Tanyakan soalan anda sendiri di Twitter menggunakan #AskASpaceman, atau dengan mengikuti Paul @PaulMattSutter dan facebook.com/PaulMattSutter. Ikuti kami di Twitter @Spacedotcom atau Facebook.
