Симетрията, която управлява света на елементарните частици на най-елементарното ниво, може да е коренно различна от това, което е прието в науката досега. Това изненадващо заключение произтича от новата работа, публикувана от теоретици от Варшава и Потсдам. Схемата, която те представят, обединява всички сили на природата по начин, който е в съответствие със съществуващите наблюдения и предвижда наличието на нови частици с необичайни свойства, които дори могат да съществуват в близкото ни обкръжение.
От половин век физиците се опитват да изградят теория, която обединява четирите фундаментални сили на природата, описва известните елементарни частици и прогнозира съществуването на нови. Досега тези опити не са намерили експериментално потвърждение, а Стандартният модел - непълна, но изненадващо ефективна теоретична основа, все още е най-доброто описание на квантовия свят. В един неотдавнашен доклад във Physical Review Letters теоретиците проф. Кшищоф Мейснер от Института по теоретична физика, Физическия факултет на Варшавския университет и проф. Херман Николай от Института МаксПланк за гравитационни дисциплини в Потсдам представиха нова схема за разширен Стандартен модел, която включва гравитацията. Новият модел прилага един вид симетрия, която преди това не е била използвана в описанието на елементарните частици.
Във физиката симетрията се разбира малко по-различно, отколкото в разговорния смисъл на думата. Например, ако дадена топка е паднала сега или след една минута - тя винаги ще падне по същия начин. Това е проява на определена симетрия - законите на физиката остават непроменени по отношение на промените във времето. По същия начин, падането на топката от една и съща височина на едно място има същия резултат като падането ѝ на друго място. Това означава, че законите на физиката също са симетрични по отношение на пространството.
"Симетрията играе огромна роля във физиката, защото е свързана с принципите на запазване.Например, принципът за запазване на енергията включва симетрия по отношение на промените във времето, принципът на запазване на инерцията се отнася до симетрията на пространственото изместване, и принципът на запазване на ъгловия импулс се отнася до ротационната симетрия", казва професор Мейснер.
Разработването на суперсиметрична теория за описване на симетрията между фермиони и бозони започва още през 70-те години. Фермионите са елементарни частици, чийто спин - квантова характеристика, свързана с ротация, се изразява в нечетни множества от дробта 1/2 и включват кварки и лептони. Лептоните са електрони, муони, тауни и свързаните с тях неутрино (както и техните античастици). Протоните и неутроните - обикновени не елементарни частици, също са фермиони. Бозоните - частици с цели стойности на спина, са частиците, отговорни за силите (фотони, носители на електромагнитното взаимодействие, глуони - на силното ядрено взаимодействие, бозони W и Z - на слабото ядрено взаимодействие), както и бозонът на Хигс.
"Първите теории за суперсиметрията се опитват да комбинират силите, типични за елементарните частици, с други думи електромагнитната сила със симетрия, известна като U (1), слабото взаимодействие - със симетрия SU (2) и силното взаимодействие - със симетрия SU (3) Гравитацията все още липсва", казва професор Мейснер. "Симетрията между бозоните и фермионите все още е глобална, което означава една и съща във всяка точка на космоса. Скоро след това бяха поставени теории, където симетрията е локална, което означава, че тя може да се прояви различно във всяка точка на пространството. което е необходимо за включването на гравитацията и такива теории станаха известни като супергравитация "
Физиците забелязаха, че в теориите за супергравитацията в четири пространномерни измерения няма да има повече от осем различни суперсиметрични спина. Всяка такава теория има строго дефиниран набор от полета (степени на свобода) с различен спин (0, 1/2, 1, 3/2 и 2) - фермионите, бозоните, гравитаните и гравитоните. При супергравитацията N = 8, която има максимален брой спинове, има 48 фермиона (със спин 1/2), което е точно броят на степените на свобода, необходими за отчитане на шестте типа кварки и шестте вида лептони, наблюдавани в природата. Поради това имаше всички признаци, че супергравитацията N = 8 е изключителна в много отношения. Обаче не беше идеална.
"Един от проблемите при включването на гравитацията в Стандартния модел с N = 8 идва от електрическите заряди на кварките и лептоните. Всички те се оказаха изместени с 1/6 по отношение на наблюдаваните в природата: електронът имаше заряд от -5/6 вместо -1, неутриното имаше 1/6 вместо 0 и т.н. Този проблем, за първи път наблюдаван от Мъри Гел-Ман преди повече от 30 години, не беше решен до 2015 г., когато проф. Мейснер и Николай представиха механизъм за промяна на симетрията U (1).
След тази корекция получихме структура със симетриите U (1) и SU (3), известни от Стандартния модел. Подходът се оказа много различен от всички други опити за обобщаване на симетрията на Стандартния модел. Мотивацията се засилва от факта, че Големият адронен колайдер не е успял да произведе нищо отвъд Стандартния модел и съществуването на фермион в N = 8 супергавитация е съвместимо с това наблюдение. Оставаше да се добави групата SU (2), отговорна за слабите ядрени сили. В нашата последна статия ние показваме как може да се направи това. Това би обяснило защо всички предишни опити за откриване на нови частици, мотивирани от теории, които разглеждаха симетрията SU (2), са неуспешни. Според нас SU (2) е само приближение на ниските и високите енергии ", обяснява проф. Мейснер.
Както механизмът, който съчетава електрическите заряди на частиците, и подобрението, включващо слабото ядвено взаимодействие, се оказва, че принадлежат към група симетрии, известна като Е10. За разлика от групите за симетрия, използвани преди това в "теориите за всичко", Е10 е безкрайна група, много слабо проучена дори в чисто математически смисъл. Професор Николай с други учени е работил по тази група преди, защото изглежда като симетрия N = 8 супергравитация при условия, подобни на тези в първите мигове след Големия взрив, когато само едно измерение е значимо - времето.
"За първи път имаме схема, която точно предвижда състава на фермионите в стандартните модели - кварки и лептони - и прави това с подходящи електрически заряди. В същото време тя включва гравитацията в описанието. огромна изненада, че правилната симетрия е огромната група на симетрията E10, математически почти непозната. Ако по-нататъшната работа потвърди ролята на тази група, това ще означава радикална промяна в познанията ни за природните симетрии ", казва професор Мейснер.
Схемата, предложена от професорите Мейснер и Николай, прави конкретни прогнози. Тя поддържа броя на фермионите, както при Стандартния модел, но от друга страна, предполага съществуването на нови частици с много необичайни свойства. Важно е, че поне някои от тях могат да присъстват в нашето непосредствено ообкръжение и откриването им е във възможностите на модерното оборудване
