Supersymetria

V časticovej fyzike je supersymetria (často prezývaná SUSY) symetriou, ktorá vzťahuje elementárne častice jedného spinu na iné častice, ktoré sa líšia polovicou spinu a sú známe ako superpartneri. V teórii s neporušenou supersymetriou existuje pre každý typ bozónu korešpondujúci typ fermiónu s rovnakou hmotnosťou a vnútorným kvantovým číslom a naopak.
Doteraz existuje len nepriamy dôkaz na existenciu supersymetrie. Keďže superpartneri častíc v štandardnom modeli neboli pozorovaní, supersymetria, ak existuje, musí byť porušenou supersymetriou, čo superčasticiam dovoľuje byť ťažšími než sú korešpondujúce častice v štandardnom modeli.
Ak supersymetria existuje blízko energetickej škály TeV, dovoľuje riešenie hierarchického problému štandardného modelu, t. j. skutočnosti, že hmotnosť Higgsovho bozónu podlieha kvantovým korekciám, ktoré by ju, zabraňujúc extrémne jemne vyladeným vynulovaniam medzi jednotlivými prispievateľmi, urobili tak veľkou, že by to narušilo vnútornú konzistenciu teórie. V teóriách supersymetrie na druhej strane, sú príspevky ku kvantovým korekciám pochádzajúce zo štandardného modelu častíc prirodzene vynulované príspevkami korešpondujúcich superpartnerov. Ďalšími atraktívnymi vlastnosťami TeV škály supersymetrie je skutočnosť, že umožňuje vysoko-energetickú unifikáciu slabej sily, silnej sily a elektromagnetizmu a skutočnosť, že poskytuje kandidáta na tmavú hmotu a prirodzený mechanizmus na porušenie elektroslabej symetrie.
Ďalšou výhodou supersymetrie je, že supersymetrická teória kvantového poľa môže byť niekedy v budúcnosti vyriešená. Supersymetria taktiež zapadá do väčšiny verzií teórií strún, hoci môže existovať aj ak je teória strún nesprávna.
Štandardný model minimálnej supersymetrie je jedným z najlepších kadidátov pre fyziku (okrem Štandardného modelu).

História

Supersymetria dotýkajúca sa mezónov a baryónov bola po prvýkrát v kontexte hadrónovej fyziky navrnutá v roku 1966 Hironari Miyazawom, ale jeho práca bola v tom čase ignorovaná. Začiatkom 70. rokov J. L. Gervais a Bunji Sakita (v r. 1971), Yu. A. Golfand a E. P. Likhtman (taktiež v r. 1971), D. V. Volkov a V. P. Akulov (v r. 1972), Julius Wess a Bruno Zumino (v r. 1974) nezávisle od seba znovuobjavili supersymetriu, radikálne nový typ symetrie časopriestoru a základných polí, ktorý ustanovuje vzťah medzi elementálnymi časticami rôznej kvantovej povahy, bozónmi a fermiónmi a zjednocuje časopriestor a vnútorné symetrie mikroskopického sveta.
Supersymetria najskôr vznikla v októbri 2009 v kontexte ranej verzie teórie strún Pierre Ramonda, Johna Schwarza a Andrea Neveua, ale matematické štruktúry supersymetrie boli následne aplikované na ostatné oblasti fyziky; najprv Wessom, Zuminom a Abdusom Salamom a ich spolupracovníkmi v oblasti fyziky častíc a neskôr na celý súbor odvetví, od kvantovej mechaniky až po štatistickú fyziku. Zostáva zásadnou časťou pre mnoho navrhnutých teórií vo fyzike.
Prvá realistická supersymetrická verzia Štandardného modelu bola podaná v roku 1981 Howardom Georgim a Savasom Dimopoulosom a nazýva sa Štandardný model minimálnej supersymetrie alebo v skratke MSSM. Bola navhrnutá na vyriešenie problému hierarchie a predpovedania superpartnerov s hmotnosťami medzi 100 GeV a 1 TeV. Do roku 2009 neexistuje žiaden nezvratný dôkaz, že supersymetria je symetriou vesmíru. V r. 2010 má Veľký hadrónový urýchľovač v CERNe za úlohu vyprodukovať vysokoenergetické kolízie a v blízkej dobe ponúka najlepšie možnosti na objavenie superčastíc.

Rozšírenie možných skupín symetrie

Jedným z dôvodov, prečo fyzici supersymetriu skúmajú je to, že ponúka rozšírenie na známejšie symetrie teórie kvantového poľa. Tieto symetrie sú zoskupené do Poincarého skupiny a interných symetrií a Coleman-Mandulova teoréma preukázala, že za určitých predpokladov symetrie S-matice musia byť priamymi produktami Poincarého skupiny s kompaktnou vnútornou symetrickou skupinou alebo ak neexistuje medzera hmotnosti, skupinou konformnou s kompaktnou vnútornou symetrickou skupinou.
V r. 1971 Golfland a Likhtman boli prvými, ktorí ukázali, že je možné rozšíriť Poincarého algebru prostredníctvom zavedenia štyroch antikomutatívnych spinorových generátorov (v štvorrozmernom priestore), ktoré sa neskôr začali označovať ako supernáboje. V r. 1975 Haag-Lopuszanski-Sohniusova teoréma analyzovala všetky možné superalgebry vo všeobecnej forme, vrátane tých, ktoré majú rozšírený počet supergenerátorov a centrálne náboje. Táto rozšírená super-Poincarého algebra vydláždila cestu na dosiahnutie veľmi veľkej a dôležitej triedy teórií supersymetrického poľa.

Matematika

SUSY je tiež niekedy študovaná matematicky pre svoje vnútorné vlastnosti. Je to preto, lebo popisuje komplexné polia vhodné pre vlastnosť akou je holomorfnosť, ktorá umožňuje presný výpočet holomorfných objemov. Toto je dôvodom pre užitočnosť supersymetrických modelov ako demonštračných modelov pre realistickejšie teórie. Primárnym príkladom tohto bola demonštrácia S-duality v štvorrozmerných kalibračných teóriách, kde dochádza k výmene častíc a monopolov.

Všeobecná supersymetria

Supersymetria sa objavuje v mnohých rôznorodých koncepciách teoretickej fyziky, ktoré sú úzko prepojené. Je možné mať viacero supersymetrií a taktiež mať supersymetrické extra dimenzie.

Supersymetria v alternatívnom počte dimenzií

Je možné mať supersymetriu s iným počtom rozmerov ako sú štyri. Pretože vlastnosti spinorov sa medzi rôznym počtom rozmerov značne menia, každý rozmer má svoje charakteristiky. V d dimenziách je veľkosť spinorov približne 2ᵈ/2 or 2. Keďže maximálny počet supersymetrií je 32, najväčší počet dimenzií, v ktorých supersymetrická teória môže existovať, je jedenásť.

Supersymetria v kvantovej gravitácii

Supersymetria je časťou väčšieho snaženia teoretickej fyziky unifikovať všetko čo poznáme o fyzickom svete do jednej fundamentálnej sústavy fyzikálnych zákonov, známych ako Teória všetkého (ToE). Značnou časťou tohto väčšieho obrazu je snaha o definovanie teórie kvantovej gravitácie, ktorá by zjednotila klasickú teóriu všeobecnej relativity a Štandardný model, ktorý vysvetľuje ďalšie tri základné sily vo fyzike, elektromagnetizmus, silnú jadrovú silu, and slabú jadrovú silu a poskytuje paletu základných častíc, na základe ktorej všetky štyri sily fungujú. Dvomi najaktívnejšími prístupmi pre formovanie teórie kvantovej gravitácie sú teória strún a slučková kvantová gravitácia (LQG), hoci teoreticky, supersymetria by mohla byť taktiež súčasťou iných teoretických prístupov.
Pre konzistenciu teórie strún sa zdá byť na istej úrovni supersymetria nevyhnutná (hoci môže ísť o silne porušenú symetriu). V časticovej teórii je supersymetria uznávaná ako prostriedok stabilizácie hierarchického problému medzi unifikačnou škálou a elektroslabou škálou (alebo hmotnosťou Higgsovho bozónu) a môže tiež poskytovať prirodzeného kandidáta pre tmavú hmotu. Teória strún taktiež vyžaduje extra dimenzie, ktoré musia byť kompaktifikované ako sa to uvádza v Kaluza-Kleinovej teórii.
Slučková kvantová gravitácia (LQG) vo svojej súčasnej formulácii nepredpovedá dodatočné priestorové dimenzie, ani nič nové ohľadom časticovej fyziky. Tieto teórie môžu byť formulované v troch priestorových dimenziách a jednej dimenzii času, hoci v niektorých LQG teóriách je dimenzionalita emergentnou vlastnosťou teórie a nie fundamentálnym predpokladom. LQG je taktiež teóriou kvantovej gravitácie, ktorá si nevyžaduje supersymetriu. Lee Smolin, jeden zo zakladateľov LQG navrhol, aby teória slučkovej kvantovej gravitácie obsahujúca buď supersymetriu alebo extra dimenzie alebo oboje, bola nazvaná "Slučková kvantová gravitácia II".
Ak experimentálne dôkazy potvrdia supersymetriu vo forme supersymetrických častíc ako je neutralino, ktoré sa často považuje za najľahšieho superpartnera, niektorí vedci sú presvedčení, že by to bola veľká podpora pre teóriu strún. Keďže supersymetria je vyžadovaným komponentnom teórie strún, akákoľvek objavená supersymetria by bola v súlade s teóriou strún. Ak veľký hadrónový urýchľovač a ďalšie experimenty časticovej fyziky neobjavia supersymetrických partnerov alebo dôkazy o ďalších dimenziách, mnoho verzií teórie strún, ktoré predpovedali istých nízkohmotnostných superpartnerov pre existujúce častice by bolo potrebné značne revidovať. Zlyhanie experimentov na objavenie buď supersymetrických partnerov alebo extra dimenzií podporilo vedcov v oblasti slučkovej kvantovej gravitácie. Ale, pravdepodobnosť objavenia supersymetrických partnerov v blízke budúcnosti zostáva kontroverznou záležitosťou. Posledne trh predpovedí ako je intrade ponúkol vedecké kontrakty, ktoré môžu podať odhady tejto možnosti.