Một boson Higgs phân rã trong vụ va chạm này được ghi nhận bởi máy dò ATLAS vào ngày 18 tháng 5 năm 2012.
(Ảnh: © ATLAS)
Paul M. Sutter là một nhà vật lý thiên văn tại SUNY Stony Brook và Viện Flatiron, chủ nhà Hỏi một người không gian và Đài phát thanh không gianvà tác giả của "Vị trí của bạn trong vũ trụ."Sutter đã đóng góp bài viết này cho Tiếng nói chuyên gia của Space.com: Op-Ed & Insights.
Đối xứng trong tự nhiên tạo sức mạnh cho sự hiểu biết cơ bản của chúng ta về vũ trụ, từ tính phổ quát của lực hấp dẫn đến sự thống nhất của lực lượng của thiên nhiên ở năng lượng cao.
Vào những năm 1970, các nhà vật lý đã phát hiện ra một sự đối xứng tiềm năng kết hợp tất cả các loại hạt trong vũ trụ của chúng ta, từ các electron đến các photon và mọi thứ ở giữa. Kết nối này, được gọi là siêu đối xứng, dựa vào tính chất lượng tử kỳ lạ của spin và có khả năng nắm giữ chìa khóa để mở ra một sự hiểu biết mới về vật lý.
Đối xứng là sức mạnh
Trong nhiều thế kỷ, các đối xứng đã cho phép các nhà vật lý tìm thấy các kết nối cơ bản và các mối quan hệ cơ bản trong toàn vũ trụ. Khi nào Isaac Newton Lần đầu tiên nhấp vào ý tưởng rằng trọng lực kéo một quả táo từ cây là lực chính xác giữ mặt trăng trên quỹ đạo quanh mặt trời, ông đã phát hiện ra một đối xứng: định luật hấp dẫn là thực sự phổ quát. Cái nhìn sâu sắc này cho phép anh ta thực hiện một bước nhảy vọt trong việc hiểu cách thức tự nhiên hoạt động.
Trong suốt những năm 1800, các nhà vật lý trên khắp thế giới hoang mang về các tính chất kỳ lạ của điện, từ tính và phóng xạ. Điều gì gây ra dòng điện chảy xuống một dây? Làm thế nào một nam châm quay có thể đẩy cùng một dòng điện xung quanh? Là ánh sáng một sóng hoặc một hạt? Nhiều thập kỷ suy ngẫm khó khăn lên đến đỉnh điểm trong một bước đột phá toán học trong sạch của James Clerk Maxwell, người đã thống nhất tất cả các nhánh điều tra riêng biệt này dưới một tập hợp các phương trình đơn giản: điện từ.
Albert Einstein cũng ghi dấu ấn của mình bằng cách đưa những hiểu biết của Newton tiến thêm một bước. Lấy một câu châm ngôn rằng tất cả các định luật vật lý phải giống nhau bất kể vị trí hay vận tốc của bạn, ông tiết lộ thuyết tương đối đặc biệt; các khái niệm về thời gian và không gian phải được viết lại để bảo tồn tính đối xứng của tự nhiên này. Và thêm trọng lực vào hỗn hợp đó đã dẫn anh ta đến thuyết tương đối rộng, sự hiểu biết hiện đại của chúng ta về lực lượng đó.
Ngay cả các định luật bảo tồn của chúng ta - bảo tồn năng lượng, bảo toàn động lượng và vân vân - phụ thuộc vào tính đối xứng. Việc bạn có thể chạy thử nghiệm ngày này qua ngày khác và nhận được kết quả tương tự cho thấy sự đối xứng qua thời gian, thông qua thiên tài toán học của Emmy Noether dẫn đến định luật về năng lượng. Và nếu bạn chọn thử nghiệm của mình và di chuyển nó qua phòng mà vẫn nhận được kết quả tương tự, bạn chỉ cần phát hiện ra một sự đối xứng trong không gian và bảo toàn động lượng tương ứng.
Gương xoay
Trong thế giới vĩ mô, đó chỉ là tổng hợp tất cả các đối xứng mà chúng ta đã gặp trong tự nhiên. Nhưng thế giới hạ nguyên tử là một câu chuyện khác. Các hạt cơ bản của vũ trụ của chúng ta có một tài sản thú vị được gọi là "spin". Nó lần đầu tiên được phát hiện trong các thí nghiệm bắn các nguyên tử qua một từ trường khác nhau, khiến cho đường đi của chúng bị lệch theo cách chính xác giống như một quả bóng kim loại quay tròn, tích điện.
Nhưng các hạt hạ nguyên tử không quay tròn, các quả bóng kim loại tích điện; họ chỉ hành động như họ trong các thí nghiệm nhất định. Và không giống như các chất tương tự trong thế giới thông thường của chúng, các hạt hạ nguyên tử không thể có bất kỳ lượng quay nào mà chúng muốn. Thay vào đó, mỗi loại hạt có số lượng spin riêng.
Vì nhiều lý do toán học tối nghĩa khác nhau, một số hạt như electron có spin ½, trong khi các hạt khác như photon có spin 1. Nếu bạn tự hỏi làm thế nào một photon có thể hoạt động giống như một quả bóng kim loại tích điện quay tròn, thì đừng đổ mồ hôi quá nhiều; bạn có thể tự do nghĩ về "spin" như một tính chất khác của các hạt hạ nguyên tử mà chúng ta phải theo dõi, như khối lượng và điện tích của chúng. Và một số hạt có nhiều tính chất này, và một số có ít hơn.
Nói chung, có hai "họ" hạt lớn: những hạt có nửa số nguyên (1/2, 3/2, 5/2, v.v.) và những hạt có toàn bộ số nguyên (0, 1, 2, v.v. .) quay. Nửa thập niên được gọi là "fermion" và được tạo thành từ các khối xây dựng của thế giới chúng ta: electron, quark, neutrino, v.v. Các wholsies được gọi là "boson" và là vật mang các lực của tự nhiên: photon, gluon và phần còn lại.
Thoạt nhìn, hai họ hạt này không thể khác nhau được.
Bản giao hưởng của sparticles
Vào những năm 1970, nhà lý thuyết dây bắt đầu xem xét nghiêm túc tính chất quay này và bắt đầu tự hỏi liệu có thể có sự đối xứng của tự nhiên ở đó không. Ý tưởng nhanh chóng mở rộng ra bên ngoài cộng đồng chuỗi và trở thành một lĩnh vực nghiên cứu tích cực trên vật lý hạt. Nếu đúng, "siêu đối xứng" này sẽ hợp nhất hai họ hạt dường như khác nhau này. Nhưng siêu đối xứng này sẽ trông như thế nào?
Ý chính cơ bản là, trong siêu đối xứng, mọi fermion sẽ có một "hạt siêu đối xứng" (hay "sparticle" - và các tên sẽ chỉ trở nên tồi tệ hơn) trong thế giới boson, và ngược lại, với cùng một khối lượng chính xác và tính phí nhưng một spin khác nhau.
Nhưng nếu chúng ta đi tìm các sparticles, chúng ta sẽ không tìm thấy bất kỳ. Ví dụ, hạt nhân của electron ("selectron") phải có cùng khối lượng và điện tích với electron, nhưng spin 1.
Hạt đó không tồn tại.
Vì vậy, bằng cách nào đó, sự đối xứng này phải bị phá vỡ trong vũ trụ của chúng ta, đẩy khối lượng của các hạt nhân ra ngoài phạm vi của các máy va chạm hạt của chúng ta. Có nhiều cách khác nhau để đạt được siêu đối xứng, tất cả đều dự đoán các khối lượng khác nhau cho các lựa chọn, các quark dừng, sneutrino và mọi người khác.
Cho đến nay, không có bằng chứng nào cho sự siêu đối xứng đã được tìm thấy và các thí nghiệm tại Máy va chạm Hadron lớn đã loại trừ các mô hình siêu đối xứng đơn giản nhất. Mặc dù nó không hoàn toàn là chiếc đinh cuối cùng trong quan tài, các nhà lý thuyết đang gãi đầu, tự hỏi liệu siêu đối xứng không thực sự được tìm thấy trong tự nhiên, và chúng ta nên nghĩ gì tiếp theo nếu chúng ta không thể tìm thấy bất cứ điều gì.
- Vũ trụ: Big Bang đến nay sau 10 bước dễ dàng
- Các nhà lý thuyết 'Siêu năng lực' giành giải thưởng đột phá Vật lý trị giá 3 triệu đô la
- Các hạt bí ẩn phun ra từ vật lý thách thức Nam Cực
Tìm hiểu thêm bằng cách nghe tập phim "Lý thuyết dây có đáng không? (Phần 4: Cái chúng ta cần là một siêu anh hùng)" trên podcast Ask A Spaceman, có sẵn trên iTunesvà trên Web tại http://www.askaspaceman.com. Cảm ơn John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. cho các câu hỏi dẫn đến phần này! Đặt câu hỏi của riêng bạn trên Twitter bằng cách sử dụng #AskASpaceman hoặc theo Paul @PaulMattSutter và facebook.com/PaulMattSutter. theo dõi chúng tối trên Twitter @Spacesotcom hoặc là Facebook.
