Εικόνα: CC0 Public Domain
Οι συμμετρίες που κυβερνούν τον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων στο πιο βασικό επίπεδο, θα μπορούσαν να είναι ριζικά διαφορετικές από ότι έχει μέχρι στιγμής θεωρηθεί. Αυτό το εκπληκτικό συμπέρασμα προκύπτει από μια νέα εργασία την οποία δημοσίευσαν φυσικοί από τη Βαρσοβία και το Πότσνταμ. Το σχέδιο που θέτουν ενοποιεί όλες τις δυνάμεις της φύσης κατά τρόπο που είναι συνεπής με τις υπάρχουσες παρατηρήσεις, και προσδοκά την ύπαρξη νέων σωματιδίων με ασυνήθιστες ιδιότητες, τα οποία μπορεί να υπάρχουν ακόμη και στο κοντινό μας περιβάλλον.
Για μισό αιώνα, οι φυσικοί προσπαθούν να κατασκευάσουν μια θεωρία που να ενοποιεί τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, να περιγράφει τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια, και να προβλέπει την ύπαρξη νέων. Μέχρι στιγμής, αυτές οι προσπάθειες δεν έχουν βρει κάποια πειραματική επιβεβαίωση, και το Καθιερωμένο Πρότυπο - μια ατελής, αλλά εκπληκτικά αποτελεσματική θεωρητική δημιουργία- εξακολουθεί να είναι η καλύτερη περιγραφή του κβαντικού κόσμου. Σε ενα πρόσφατο paper δημοσιευμένο στον ιστότοπο Physical Review Letters, ο καθηγητής Krzysztof Meissner από το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής, Τμήμα Φυσικής, του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας και ο καθηγητής Hermann Nicolai από το Ινστιτούτο Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik στο Πότσνταμ παρουσίασαν ένα νέο σχέδιο γενικεύοντας το Καθιερωμένο Πρότυπο το οποίο ενσωματώνει την Βαρύτητα στην περιγραφή αυτή. Το νέο μοντέλο εφαρμόζει ένα είδος συμμετρίας, το οποίο δεν έχει χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για την περιγραφή των στοιχειωδών σωματιδίων.
Στη φυσική, οι συμμετρίες γίνονται αντιληπτές κάπως διαφορετικά από ότι στην δημώδη, στην καθομιλούμενη έννοια της λέξης. Για παράδειγμα, αν μια μπάλα πέσει τώρα ή σε ένα λεπτό από τώρα, θα πέσει με τον ίδιο τρόπο. Αυτή είναι μια εκδήλωση μιας συγκεκριμένης συμμετρίας: οι νόμοι της φυσικής παραμένουν αμετάβλητοι σε σχέση με τις μετατοπίσεις στο χρόνο. Ομοίως, η πτώση της μπάλας από το ίδιο ύψος σε μια θέση, θα έχει το ίδιο αποτέλεσμα με την πτώση της και σε κάποια άλλη θέση. Αυτό σημαίνει ότι οι νόμοι της φυσικής είναι επίσης συμμετρικοί σε σχέση με τις χωρικές λειτουργίες.
"Οι συμμετρίες διαδραματίζουν τεράστιο ρόλο στη φυσική διότι σχετίζονται με τις αρχές της διατήρησης. Για παράδειγμα, η αρχή της διατήρησης της ενέργειας περιλαμβάνει συμμετρία σε σχέση με τις μετατοπίσεις στο χρόνο, η αρχή της διατήρησης της ορμής σχετίζεται με τη συμμετρία της χωρικής μετατόπισης, και η αρχή της διατήρησης της στροφορμής σχετίζεται με την συμμετρία περιστροφής ", λέει ο καθηγητής Meissner.
Η ανάπτυξη μιας Υπερσυμμετρικής θεωρίας η οποία θα περιγράψει τις συμμετρίες μεταξύ Φερμιονίων και Μποζονίων ξεκίνησε στη δεκαετία του 1970. Τα Φερμιόνια είναι στοιχειώδη σωμάτια των οποίων η ιδιοστροφορμή, το Σπίν (spin), μια κβαντική ιδιότητα που σχετίζεται με την περιστροφή, εκφράζεται σε μονά πολλαπλάσια του κλάσματος 1/2, και περιλαμβάνουν και τα δύο και τα Κουάρκ και τα Λεπτόνια. Μεταξύ των τελευταίων είναι και τα : Ηλεκτρόνια, Μιόνια, Ταυ λεπτόνια , και τα αντίστοιχα νετρίνα τους (καθώς και τα αντισωματίδια τους). Τα Πρωτόνια και τα Νετρόνια, τα κοινά μη-στοιχειώδη σωματίδια, είναι επίσης Φερμιόνια. Τα Μποζόνια, με τη σειρά τους, είναι σωματίδια με ακέραιες τιμές Σπίν. Περιλαμβάνουν τα σωματίδια που ευθύνονται για τις δυνάμεις [(Φωτόνια, φορείς της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, Γλουόνια, που φέρουν την ισχυρή πυρηνική δύναμη (ή ισχυρή αλληλεπίδραση), Μποζόνια W και Z, που φέρουν την ασθενή πυρηνική δύναμη (ή ισχυρή αλληλεπίδραση))], καθώς και το Μποζόνιο Higgs.
Οι πρώτες υπερσυμμετρικές θεωρίες προσπάθησαν να συνδυάσουν τις δυνάμεις που είναι χαρακτηριστικές των στοιχειωδών σωματιδίων, δηλαδή η ηλεκτρομαγνητική δύναμη με συμμετρία γνωστή ως U (1), η ασθενής δύναμη με συμμετρία SU (2) και η ισχυρή δύναμη με συμμετρία SU (3) "Η βαρύτητα εξακολουθεί να λείπει", λέει ο καθηγητής Meissner. "Η συμμετρία μεταξύ των Μποζονίων και των Φερμιονίων ήταν ακόμα καθολική, που σημαίνει οτι υπάρχει ίδια σε κάθε σημείο του διαστήματος." Στη συνέχεια, διατυπώθηκαν θεωρίες όπου η συμμετρία ήταν τοπική, που σημαίνει ότι θα μπορούσε να εκδηλωθεί διαφορετικά σε κάθε σημείο του διαστήματος. Είναι απαραίτητο να εξασφαλιστεί μια τέτοια συμμετρία στη θεωρία που απαιτείται για να συμπεριληφθεί η βαρύτητα, και τέτοιες θεωρίες έγιναν γνωστές ως Υπερβαρυτικές (supergravities). "
Οι φυσικοί παρατήρησαν ότι σε θεωρίες Υπερβαρύτητας σε τέσσερις χωροχρονικές διαστάσεις δεν μπορούν να υπάρχουν περισσότερες από οκτώ διαφορετικές υπερσυμμετρικές περιστροφές. Κάθε τέτοια θεωρία έχει ένα αυστηρά καθορισμένο σύνολο πεδίων (βαθμοί ελευθερίας) με διαφορετικά Σπίν (0, 1/2, 1, 3/2 και 2), γνωστές αντίστοιχα ως πεδία βαθμίδων, Φερμιόνων, Μποζονίων, Βαρυονίων και των συμμετρικών σωματιδίων των Βαρυονίων τα Γκραβιτίνα. Για την υπερβαρύτητα N = 8, η οποία έχει τον μέγιστο αριθμό περιστροφών, υπάρχουν 48 Φερμιόνια (με Σπίν 1/2), που είναι ακριβώς ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας που απαιτούνται για την καταγραφή των έξι τύπων Κουάρκ και των έξι τύπων Λεπτονίων τα οποία παρατηρήθηκαν στη φύση. Υπήρχε επομένως κάθε ένδειξη ότι η Υπερβαρήτητα N = 8 είναι εξαιρετική από πολλές απόψεις. Ωστόσο, δεν ήταν ιδανική.
Ένα από τα προβλήματα στην ενσωμάτωση του Καθιερωμένου Πρότυπου σε Υπερβαρύτητα N = 8, δημιουργήθηκε από τα ηλεκτρικά φορτία των Κουάρκ και των Λεπτονίων. Όλα τα φορτία αποδείχθηκαν μετατοπισμένα κατά 1/6 σε σχέση με αυτά που παρατηρήθηκαν στη φύση: το Ηλεκτρόνιο είχε φορτίο -5/6 αντί -1, το Νετρίνο είχε 1/6 αντί 0, κλπ. Το πρόβλημα αυτό, το οποίο παρατηρήθηκε αρχικά από τον Murray Gell-Mann από περισσότερα από 30 χρόνια πριν, δεν επιλύθηκε μέχρι το 2015, όταν οι καθηγητές Meissner και Nicolai παρουσίασαν τον αντίστοιχο μηχανισμό τροποποίησης της συμμετρίας U (1).
"Μετά την πραγματοποίηση αυτής της ρύθμισης αποκτήσαμε μια δομή με τις συμμετρίες U (1) και SU (3) που είναι γνωστές από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Η προσέγγιση αυτή αποδείχτηκε πολύ διαφορετική από όλες τις άλλες προσπάθειες γενίκευσης των συμμετριών του Καθιερωμένου Πρότυπου. Η προσέγγιση αυτή ενισχύεται από το γεγονός ότι ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) απέτυχε να παράγει οτιδήποτε πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, και η περιεκτικότητα σε Φερμιόνια, για την Υπερβαρύτητα N = 8 είναι συμβατή με την παρατήρηση αυτή. Αυτό που έλειπε ήταν να προστεθεί η ομάδα SU (2), σαν υπεύθυνη για την αδύναμη πυρηνική δύναμη. Αυτό θα εξηγούσε γιατί όλες οι προηγούμενες προσπάθειες για την ανίχνευση νέων σωματιδίων, που υποκινήθηκαν από θεωρίες που αντιμετώπιζαν τη συμμετρία SU (2) ως αυθόρμητη παραβίαση για χαμηλές ενέργειες, αλλά δεσμευτική στην περιοχή των υψηλών ενεργειών, έπρεπε να είναι ανεπιτυχείς. Κατά την άποψή μας, η SU (2) είναι απλώς μια προσέγγιση τόσο για τις χαμηλές όσο και για τις υψηλές ενέργειες ", εξηγεί ο καθηγητής Meissner.
Τόσο ο μηχανισμός που συμβιβάζει τα ηλεκτρικά φορτία των σωματιδίων όσο και η βελτίωση που ενσωματώνει την ασθενή δύναμη (αλληλεπίδραση) αποδείχτηκε ότι ανήκαν σε μια ομάδα συμμετρίας γνωστή ως E10. Σε αντίθεση με τις ομάδες συμμετρίας που χρησιμοποιήθηκαν στο παρελθόν στις θεωρίες ενοποίησης, η E10 είναι μια άπειρη ομάδα, πολύ λίγο μελετημένη, ακόμη και με καθαρά μαθηματική έννοια. Ο καθηγητής Nicolai με τον Thibault Damour και τον Marc Henneaux είχαν εργαστεί σε πάνω σε αυτήν την ομάδα στο παρελθόν, επειδή εμφανίστηκε ως συμμετρία σε Υπερβαρύτητα στο N = 8 υπό συνθήκες παρόμοιες με εκείνες οι οποίες υπήρξαν κατά τις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν μόνο μία διάσταση ήταν σημαντική: ο Χρόνος.
"Για πρώτη φορά, έχουμε ένα πλάνο το οποίο προσδοκά με ακρίβεια τη σύνθεση των Φερμιονίων στο Καθιερωμένο Πρότυπο - Κουάρκ και Λεπτόνια - και το κάνει με τα κατάλληλα ηλεκτρικά φορτία, ενώ ταυτόχρονα περιλαμβάνει την Βαρύτητα στην περιγραφή. Προκαλεί μεγάλη έκπληξη το γεγονός οτι η Ορθή συμμετρία (proper symmetry) είναι η εντυπωσιακά τεράστια ομάδα συμμετρίας Ε10, σχεδόν άγνωστη μαθηματικά. Αν περαιτέρω εργασίες επιβεβαιώσουν το ρόλο αυτής της ομάδας, αυτό θα σημαίνει μια ριζική αλλαγή στη γνώση μας για τις συμμετρίες της φύσης ", δηλώνει ο καθηγητής Meissner.
Αν και η δυναμική δεν είναι ακόμη κατανοητή, το σχέδιο που προτείνουν οι καθηγητές Meissner και Nicolai κάνει συγκεκριμένες προβλέψεις. Διατηρεί τον αριθμό Σπίν 1/2 των Φερμιονίων όπως υπάρχει στο Καθιερωμένο Πρότυπο, αλλά από την άλλη υποδεικνύει την ύπαρξη νέων σωματιδίων με πολύ ασυνήθιστες ιδιότητες. Είναι σημαντικό ότι τουλάχιστον κάποια από αυτά θα μπορούσαν να υπάρχουν στο άμεσο περιβάλλον, μας και η ανίχνευση τους θα πρέπει να βρίσκεται μέσα στις δυνατότητες του σύγχρονου εξοπλισμού ανίχνευσης. Αλλά αυτό είναι ένα άλλο, ξεχωριστό θέμα.
Δείτε περισσότερα: Breaking supersymmetry
Περισσότερες πληροφορίες: Krzysztof A. Meissner et al, Standard Model Fermions and
Infinite-Dimensional R Symmetries, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.091601
Αναφορές: Physical Review Letters
Από: University
of Warsaw
--------------------*--------------------
Ενημερωθείτε για θέματα Αστρονομίας και Επιστήμης στις
ομάδες μας στο Facebook:
Πηγές υπάρχουν επίσης και στις παραπομπές του κειμένου
(οι λέξεις με τα κόκκινα γράμματα)
Απόδοση στα Ελληνικά : Δημήτρης Γκίκας.
Για διορθώσεις μετάφρασης ως προς το
πρότυπο κείμενο, απορίες, ή συμπληρώματα, γράψτε μας: gikasd63@hotmail.com
η αφήστε μήνυμα inbox στη Σελίδα:
Επίσης εάν θέλετε να δημοσιευτεί στο μπλόγκ μας κάποια
δική σας εργασία, άρθρο, ή paper σχετικά με την επιστήμη, αποστείλατε τα άρθρα
αυτά συνοδευόμενα απαραίτητα από τη σχετική βιβλιογραφία, και την
σχετική έντυπη άδεια σας για δημοσίευση στο μπλόγκ μας, στη
διεύθυνση: gikasd63@hotmail.com. Η δημοσίευση είναι εντελώς
δωρεάν.
Εάν, κατά την άποψή σας, υπάρχουν επιστημονικά λάθη
στο πρότυπο κείμενο η ομάδα μας δεν μπορεί να παρέμβει και να το αλλάξει χωρίς
την συναίνεση του αρθρογράφου. Για οποιαδήποτε τέτοια αλλαγή επικοινωνήστε με
την πηγή του άρθρου.
Το κείμενο υπόκειται σε επικαιροποίηση αν
υπάρξουν έγκυρες διορθώσεις ή νέα στοιχεία που αφορούν το θέμα του
άρθρου.
