Supersymmetry: En möjlig spöksförbindelse mellan partiklar

Alla som har studerat grundvetenskap vet om atomen: materiens grundläggande byggsten som vi känner till den. Vi är tillsammans med vår planet, solsystemet, stjärnor och galaxer gjorda av atomer. Men atomerna själva är byggda från mycket mindre enheter som kallas "subatomära partiklar" - elektroner, protoner och neutroner. Studien av dessa och andra subatomära partiklar kallas "partikelfysik" studien av arten av och interaktioner mellan dessa partiklar, som utgör materie och strålning.

Ett av de senaste ämnena inom partikelfysikforskning är "supersymmetri" som liksom sträng teori, använder modeller av endimensionella strängar istället för partiklar för att förklara vissa fenomen som fortfarande inte är väl förstått. Teorin säger att i början av universum när de rudimentära partiklarna bildades skapades ett lika antal så kallade "superpartiklar" eller "superpartners" samtidigt. Även om denna idé ännu inte är beprövad använder fysiker instrument som Large Hadron Collider för att söka efter dessa superpartiklar. Om de existerar skulle det åtminstone fördubbla antalet kända partiklar i kosmos. För att förstå supersymmetri är det bäst att börja med att titta på de partiklar som

Subatomiska partiklar är inte de minsta materieenheterna. De består av ännu tunnare uppdelningar som kallas elementära partiklar, som själva betraktas av fysiker som upphetsningar av kvantfält. I fysiken är fält regioner där varje område eller punkt påverkas av en kraft, såsom tyngdkraft eller elektromagnetism. "Quantum" avser den minsta mängden av alla fysiska enheter som är involverade i interaktioner med andra enheter eller påverkas av krafter. Energin hos en elektron i en atom kvantiseras. En ljuspartikel, kallad en foton, är en enda kvantitet av ljus. Området för kvantmekanik eller kvantfysik är studien av dessa enheter och hur fysiska lagar påverkar dem. Eller tänk på det som studien av mycket små fält och diskreta enheter och hur de påverkas av fysiska krafter.

Alla kända partiklar, inklusive subatomära partiklar, och deras interaktioner beskrivs av en teori som kallas standardmodellen. Den har 61 elementära partiklar som kan kombineras för att bilda kompositpartiklar. Det är ännu inte en fullständig beskrivning av naturen, men det ger tillräckligt för partikelfysiker att prova och förstå några grundläggande regler om hur materien består, särskilt i början universum.

Standardmodellen beskriver tre av fyra grundläggande krafter i universum: den elektromagnetiska kraften (som handlar om interaktioner mellan elektriskt laddade partiklar), den svaga kraften (som handlar om interaktionen mellan subatomära partiklar som resulterar i radioaktivt sönderfall), och den starka kraften (som håller partiklar samman på korta avstånd). Det förklarar inte gravitationskraften. Som nämnts ovan beskriver det också de hittills kända 61 partiklarna.

Studien av de minsta partiklarna och krafterna som påverkar och styr dem har lett fysiker till idén om supersymmetri. Den hävdar att alla partiklar i universum är indelade i två grupper: bosoner (som är underklassificerade i mätbosoner och en skalärboson) och fermioner (som blir underklassificerade som kvarkar och antikvarker, leptoner och anti-leptoner och deras olika "generationer). Hadronerna är kompositer av flera kvarkar. Teorin för supersymmetri säger att det finns en koppling mellan alla dessa partikeltyper och subtyper. Så till exempel säger supersymmetri att en fermion måste existera för varje boson, eller för varje elektron antyder det att det finns superpartner som kallas ett "selectron" och vice versa. Dessa superpartners är kopplade till varandra på något sätt.

Supersymmetry är en elegant teori, och om det bevisas vara sant skulle det gå långt mot att hjälpa fysiker förklarar materialets byggstenar i standardmodellen och för med allvar i graviteten vika ihop. Hittills har emellertid superpartnerpartiklar inte detekterats i experiment med användning av Stor Hadron Collider. Det betyder inte att de inte finns, men att de ännu inte har upptäckts. Det kan också hjälpa partikelfysiker att fastna massan på en mycket grundläggande subatomär partikel: Higgs boson (vilket är en manifestation av något som heter Higgs-fältet). Detta är den partikel som ger all materia sin massa, så det är en viktig att förstå noggrant.

Även om supersymmetri är extremt komplex, är det i dess hjärta ett sätt att djupare djupare in i de grundläggande partiklarna som utgör universum. Medan partikelfysiker tror att de har hittat de grundläggande materienheterna i den subatomära världen, är de fortfarande långt ifrån att förstå dem helt. Så forskning om subatomära partiklar och deras eventuella superpartners kommer att fortsätta.

Supersymmetry kan också hjälpa fysiker noll på arten av mörk materia. Det är en (hittills) osynlig form av materia som kan upptäckas indirekt genom dess gravitationseffekt på vanlig materia. Det kan väl räkna ut att samma partiklar som man söker efter i supersymmetri-forskning skulle kunna hålla en ledtråd till den mörka materiens natur.