Uendelig-dimensionel symmetri åbner mulighed for en ny fysik-og nye partikler

De symmetrier, der styrer elementarpartiklernes verden på det mest elementære niveau, kan være radikalt forskellige fra det, man hidtil har troet. Denne overraskende konklusion stammer fra nyt arbejde udgivet af teoretikere fra Warszawa og Potsdam. Ordningen de positiverer forener alle naturkræfter på en måde, der er i overensstemmelse med eksisterende observationer og foregriber eksistensen af ​​nye partikler med usædvanlige egenskaber, der endda kan være til stede i vores nære omgivelser.

I et halvt århundrede fysikere har forsøgt at konstruere en teori, der forener alle fire grundlæggende naturkræfter, beskriver de kendte elementarpartikler og forudsiger eksistensen af ​​nye. Indtil nu, disse forsøg har ikke fundet eksperimentel bekræftelse, og standardmodellen - en ufuldstændig, men overraskende effektiv teoretisk konstruktion - er stadig den bedste beskrivelse af kvanteverdenen. I et nyligt papir i Fysisk gennemgangsbreve , Prof. Krzysztof Meissner fra Institut for Teoretisk Fysik, Fysisk Fakultet, Universitetet i Warszawa, og professor Hermann Nicolai fra Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik i Potsdam har præsenteret en ny ordning, der generaliserer standardmodellen, der inkorporerer gravitation i beskrivelsen. Den nye model anvender en slags symmetri, der ikke tidligere har været brugt i beskrivelsen af ​​elementarpartikler.

I fysikken, symmetrier forstås noget anderledes end i ordets daglig forstand. For eksempel, om en bold er faldet nu eller et minut fra nu, det vil stadig falde på samme måde. Det er en manifestation af en vis symmetri:fysikkens love forbliver uændrede med hensyn til ændringer i tiden. Tilsvarende at tabe bolden fra samme højde på et sted har det samme resultat som at tabe den på en anden. Det betyder, at fysikkens love også er symmetriske med hensyn til rumlige operationer.

"Symmetrier spiller en enorm rolle i fysikken, fordi de er relateret til bevaringsprincipper. F.eks. princippet om bevarelse af energi involverer symmetri med hensyn til skift i tid, princippet om bevarelse af momentum vedrører symmetri af rumlig forskydning, og princippet om bevarelse af vinkelmoment vedrører rotationssymmetri, "siger prof. Meissner.

Udviklingen af ​​en supersymmetrisk teori til at beskrive symmetrierne mellem fermioner og bosoner begyndte tilbage i 1970'erne. Fermioner er elementarpartikler, hvis spin, en kvanteegenskab relateret til rotation udtrykkes i ulige multipler af brøkdelen 1/2, og de inkluderer både kvarker og leptoner. Blandt sidstnævnte er elektroner, muons, tauoner, og deres tilhørende neutrinoer (såvel som deres antipartikler). Protoner og neutroner, almindelige ikke-elementære partikler, er også fermioner. Bosoner, på tur, er partikler med heltals spinværdier. De omfatter partiklerne, der er ansvarlige for kræfter (fotoner, bærere af den elektromagnetiske kraft; gluoner, bærer den stærke atomkraft; W og Z bosoner, bærer den svage atomkraft), samt Higgs boson.

"De første supersymmetriske teorier forsøgte at kombinere de kræfter, der er typiske for elementarpartikler, med andre ord den elektromagnetiske kraft med en symmetri kendt som U (1), den svage kraft med symmetri SU (2) og den stærke kraft med symmetri SU (3). Tyngdekraften manglede stadig, "Professor Meissner siger." Symmetrien mellem bosoner og fermioner var stadig global, hvilket betyder det samme på hvert punkt i rummet. Kort tid derefter, teorier blev stillet, hvor symmetri var lokal, hvilket betyder, at det kan manifestere sig forskelligt på hvert punkt i rummet. Sikring af en sådan symmetri i den teori, der kræves for at gravitation skal inkluderes, og sådanne teorier blev kendt som supergraviteter. "

Fysikere lagde mærke til, at i supergravitationsteorier i fire spatiotemporale dimensioner, der kan ikke være mere end otte forskellige supersymmetriske rotationer. Hver sådan teori har et strengt defineret sæt felter (frihedsgrader) med forskellige spins (0, 1/2, 1, 3/2 og 2), henholdsvis kendt som felterne skalarer, fermioner, bosoner, gravitinos og gravitons. For overvægt N =8, som har det maksimale antal rotationer, der er 48 fermioner (med spin 1/2), hvilket netop er antallet af frihedsgrader, der kræves for at redegøre for de seks typer kvarker og seks typer leptoner, der observeres i naturen. Der var derfor alt, der tyder på, at overgravitation N =8 er usædvanlig i mange henseender. Imidlertid, det var ikke ideelt.

Et af problemerne med at inkorporere standardmodellen i N =8 -tyngdekraften skyldes elektriske ladninger af kvarker og leptoner. Alle ladninger viste sig at blive forskudt med 1/6 i forhold til dem, der blev observeret i naturen:Elektronen havde en ladning på -5/6 i stedet for -1, neutrinoen havde 1/6 i stedet for 0, osv. Dette problem, først observeret af Murray Gell-Mann for mere end 30 år siden, blev først løst i 2015, da professor Meissner og Nicolai præsenterede den respektive mekanisme til ændring af U (1) symmetrien.

"Efter at have foretaget denne justering opnåede vi en struktur med symmetrierne U (1) og SU (3) kendt fra standardmodellen. Fremgangsmåden viste sig at være meget forskellig fra alle andre forsøg på at generalisere symmetrierne i standardmodellen. Motivationen var styrket af det faktum, at LHC -acceleratoren ikke formåede at producere noget ud over standardmodellen og N =8 supergravity -fermionindhold er foreneligt med denne observation. Det, der manglede, var at tilføje SU (2) -gruppen, ansvarlig for den svage atomkraft. I vores seneste papir, vi viser, hvordan dette kan gøres. Det ville forklare, hvorfor alle tidligere forsøg på at detektere nye partikler, motiveret af teorier, der behandlede SU (2) symmetrien som spontant krænket for lave energier, men som at holde i området med høje energier, måtte være uden succes. Efter vores opfattelse, SU (2) er kun en tilnærmelse til både lav og høj energi, "Professor Meissner forklarer.

Både mekanismen forene de elektriske ladninger af partiklerne, og forbedringen ved at inkorporere den svage kraft viste sig at tilhøre en symmetrogruppe kendt som E10. I modsætning til de symmetri -grupper, der tidligere blev brugt i foreningsteorier, E10 er en uendelig gruppe, meget dårligt studeret selv i rent matematisk forstand. Prof. Nicolai med Thibault Damour og Marc Henneaux havde arbejdet på denne gruppe før, fordi det optrådte som en symmetri i N =8 -tyngdekraften under forhold, der lignede dem i de første øjeblikke efter Big Bang, når kun en dimension var vigtig:tid.

"For første gang, vi har en ordning, der præcist foregriber sammensætningen af ​​fermionerne i standardmodellen - kvarker og leptoner - og gør det med de korrekte elektriske ladninger. Samtidig inkluderer det tyngdekraften i beskrivelsen. Det er en kæmpe overraskelse, at den korrekte symmetri er den svimlende enorme symmetri gruppe E10, stort set ukendt matematisk. Hvis yderligere arbejde bekræfter denne gruppes rolle, det vil betyde en radikal ændring i vores viden om naturens symmetrier, "Siger professor Meissner.

Selvom dynamikken endnu ikke er forstået, ordningen foreslået af professor Meissner og Nicolai laver specifikke forudsigelser. Det bevarer antallet af spin 1/2 fermioner som i standardmodellen, men på den anden side tyder det på eksistensen af ​​nye partikler med meget usædvanlige egenskaber. Vigtigere, i det mindste nogle af dem kunne være til stede i vores umiddelbare omgivelser, og deres påvisning bør være inden for mulighederne for moderne detekteringsudstyr. Men det er et emne for en separat historie.