Ein Higgs-Boson zerfällt bei dieser Kollision, die am 18. Mai 2012 vom ATLAS-Detektor aufgezeichnet wurde.
(Bild: © ATLAS)
Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei SUNY Stony Brook und am Flatiron Institute, Gastgeber Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradiound Autor von "Dein Platz im Universum."Sutter hat diesen Artikel dazu beigetragen Expertenstimmen von Space.com: Op-Ed & Insights.
Symmetrien in der Natur treiben unser grundlegendes Verständnis des Kosmos an, von der Universalität der Schwerkraft bis zur Vereinigung des Naturgewalten bei hohen Energien.
In den 1970er Jahren entdeckten Physiker eine mögliche Symmetrie, die alle Arten von Teilchen in unserem Universum vereinte, von den Elektronen über die Photonen bis hin zu allem dazwischen. Diese Verbindung, bekannt als Supersymmetrie, stützt sich auf die seltsame Quanteneigenschaft des Spins und ist möglicherweise der Schlüssel, um ein neues Verständnis der Physik zu erschließen.
Symmetrien sind Macht
Seit Jahrhunderten ermöglichen Symmetrien den Physikern, zugrunde liegende Verbindungen und grundlegende Beziehungen im gesamten Universum zu finden. Wann Isaac Newton Als er zuerst auf die Idee klickte, dass die Schwerkraft, die einen Apfel von einem Baum zieht, genau dieselbe Kraft ist, die den Mond in der Umlaufbahn um die Sonne hält, entdeckte er eine Symmetrie: Die Gesetze der Schwerkraft sind wirklich universell. Diese Einsicht ermöglichte es ihm, einen enormen Sprung in das Verständnis der Funktionsweise der Natur zu machen.
Während des 19. Jahrhunderts rätselten Physiker auf der ganzen Welt über die seltsamen Eigenschaften von Elektrizität, Magnetismus und Strahlung. Was hat dazu geführt, dass elektrischer Strom über einen Draht fließt? Wie könnte ein sich drehender Magnet denselben Strom herumschieben? War Licht eine Welle oder ein Teilchen? Jahrzehntelanges schweres Nachdenken gipfelte in einem sauberen mathematischen Durchbruch von James Clerk Maxwell, der all diese unterschiedlichen Untersuchungszweige unter einem einzigen Satz einfacher Gleichungen vereinte: Elektromagnetismus.
Albert Einstein machte sich auch einen Namen, indem er Newtons Einsichten noch einen Schritt weiter führte. Als Maxime, dass alle physikalischen Gesetze unabhängig von Ihrer Position oder Geschwindigkeit gleich sein sollten, enthüllte er Spezielle Relativität;; Die Begriffe Zeit und Raum mussten neu geschrieben werden, um diese Symmetrie der Natur zu bewahren. Und das Hinzufügen von Schwerkraft zu dieser Mischung führte ihn dazu generelle Relativität, unser modernes Verständnis dieser Kraft.
Sogar unsere Erhaltungsgesetze - die Erhaltung der Energie, die Erhaltung des Impulses usw. - hängen von der Symmetrie ab. Die Tatsache, dass Sie Tag für Tag ein Experiment durchführen und das gleiche Ergebnis erzielen können, zeigt eine Symmetrie durch die Zeit, die durch das mathematische Genie von Emmy Noether führt zum Gesetz der Konversation von Energie. Und wenn Sie Ihr Experiment aufnehmen und durch den Raum bewegen und trotzdem das gleiche Ergebnis erzielen, haben Sie gerade eine Symmetrie durch den Raum und die entsprechende Impulserhaltung entdeckt.
Ein sich drehender Spiegel
In der makroskopischen Welt fasst das fast alle Symmetrien zusammen, denen wir in der Natur begegnet sind. Aber die subatomare Welt ist eine andere Geschichte. Die Grundpartikel von unser Universum haben eine interessante Eigenschaft als "Spin" bekannt. Es wurde erstmals in Experimenten entdeckt, bei denen Atome durch ein unterschiedliches Magnetfeld geschossen wurden und ihre Wege genau so abgelenkt wurden, wie es eine sich drehende, elektrisch geladene Metallkugel tun würde.
Aber subatomare Teilchen drehen sich nicht, elektrisch geladene Metallkugeln; Sie verhalten sich in bestimmten Experimenten einfach so wie sie. Und im Gegensatz zu ihren Analoga aus der regulären Welt können subatomare Teilchen nicht die gewünschte Rotation aufweisen. Stattdessen erhält jede Art von Partikel ihre eigene Menge an Spin.
Aus verschiedenen obskuren mathematischen Gründen haben einige Teilchen wie das Elektron einen Spin von ½, während andere Teilchen wie das Photon einen Spin von 1 bekommen. Wenn Sie sich fragen, wie sich ein Photon möglicherweise wie eine sich drehende geladene Metallkugel verhalten könnte, dann schwitzen Sie nicht zu viel; Sie können sich "Spin" als eine weitere Eigenschaft subatomarer Teilchen vorstellen, die wir im Auge behalten müssen, wie Masse und Ladung. Und einige Partikel haben mehr von dieser Eigenschaft, andere weniger.
Im Allgemeinen gibt es zwei große "Familien" von Partikeln: solche mit einer halben Ganzzahl (1/2, 3/2, 5/2 usw.) und solche mit einer ganzen Ganzzahl (0, 1, 2 usw.) .) rotieren. Die Halfsies heißen "Fermionen" und bestehen aus den Bausteinen unserer Welt: Elektronen, Quarks, Neutrinos und so weiter. Die Ganzheiten werden "Bosonen" genannt und sind die Träger der Naturkräfte: Photonen, Gluonen und der Rest.
Auf den ersten Blick könnten diese beiden Partikelfamilien unmöglich unterschiedlich sein.
Symphonie der Teilchen
In den 1970ern, Stringtheoretiker begann sich kritisch mit dieser Eigenschaft des Spins zu befassen und fragte sich, ob es dort eine Symmetrie der Natur geben könnte. Die Idee verbreitete sich schnell außerhalb der String-Community und wurde zu einem aktiven Forschungsgebiet in der Teilchenphysik. Wenn dies zutrifft, würde diese "Supersymmetrie" diese beiden scheinbar unterschiedlichen Teilchenfamilien vereinen. Aber wie würde diese Supersymmetrie aussehen?
Das Wesentliche ist, dass in der Supersymmetrie jede Fermion ein "Superpartner-Teilchen" (oder kurz "Teilchen" - und die Namen werden nur noch schlimmer) in der Bosonenwelt haben würde und umgekehrt, mit genau der gleichen Masse und laden Sie aber einen anderen Spin auf.
Aber wenn wir nach den Partikeln suchen, finden wir keine. Zum Beispiel sollte das Teilchen des Elektrons (das "Selectron") die gleiche Masse und Ladung wie das Elektron haben, aber einen Spin von 1.
Dieses Teilchen existiert nicht.
Irgendwie muss diese Symmetrie in unserem Universum gebrochen werden und die Massen der Teilchen außerhalb der Reichweite unserer Teilchenkollider treiben. Es gibt viele verschiedene Wege, um Supersymmetrie zu erreichen, die alle unterschiedliche Massen für die Selectronen, die Stop-Quarks, die Sneutrinos und alle anderen vorhersagen.
Bisher wurden keine Hinweise auf Supersymmetrie gefunden, und Experimente an der Large Hadron Collider haben die einfachsten supersymmetrischen Modelle ausgeschlossen. Obwohl es nicht ganz der letzte Nagel im Sarg ist, kratzen sich Theoretiker am Kopf und fragen sich, ob Supersymmetrie in der Natur nicht wirklich zu finden ist und woran wir als nächstes denken sollten, wenn wir nichts finden können.
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