סופר-סימטריה סופר מדהימה. הנה המשמעות של פיזיקת החלקיקים.

בוסון של היגס מתרסק בהתנגשות זו שנרשמה על ידי גלאי ה- ATLAS ב- 18 במאי 2012.

(תמונה: © ATLAS)

פול מ. סוטר הוא אסטרופיזיקאי בסוני סטוני ברוק ובמכון פלטירון תשאל איש חלל ו רדיו שטח, ומחבר הספר "מקומך ביקום."סאטר תרם את המאמר הזה ל קולות המומחים של Space.com: Op-Ed & Insights. 

סימטריות בטבע מעצימות את הבנתנו הבסיסית של הקוסמוס, מהאוניברסליות של כוח הכבידה ועד לאיחודו של ה איתני הטבע באנרגיות גבוהות.

בשנות השבעים חשפו הפיזיקאים סימטריה פוטנציאלית שאחדה את כל סוגי החלקיקים ביקום שלנו, מהאלקטרונים לפוטונים וכל מה שביניהם. חיבור זה, המכונה העל-סימטריה, מסתמך על התכונה הקוונטית המוזרה של ספין, ומחזיק פוטנציאל במפתח לפתיחת הבנה חדשה של הפיזיקה.

סימטריות הן כוח

במשך מאות שנים סימטריות אפשרו לפיזיקאים למצוא קשרים בסיסיים ויחסים בסיסיים ברחבי היקום. מתי אייזק ניוטון לחץ לראשונה על הרעיון כי כוח המשיכה המושך תפוח מעץ הוא אותו הכוח השומר על הירח במסלול סביב השמש, הוא גילה סימטריה: חוקי הכובד הם אוניברסליים באמת. תובנה זו אפשרה לו לעשות קפיצת מדרגה אדירה בהבנת האופן בו הטבע עובד.

במהלך שנות ה -18 של המאה העשרים, פיזיקאים ברחבי העולם תמוה על התכונות המוזרות של חשמל, מגנטיות וקרינה. מה גרם לזרם חשמלי לזרום בחוט? כיצד יכול מגנט מסתובב לדחוף את אותו זרם? האם אור היה גל או חלקיק? עשרות שנים של התבוננות קשה הגיעו לשיא בפריצת דרך מתמטית נקייה של ג'יימס קלרק מקסוול, שאיחד את כל ענפי החקירה הנבדלים הללו תחת קבוצה אחת של משוואות פשוטות: אלקטרומגנטיות.

אלברט איינשטיין הטביע את חותמו גם על ידי הבאת התובנות של ניוטון צעד אחד קדימה. בהתחשב בכך שכל החוקים הפיזיים צריכים להיות זהים ללא קשר למיקומך או למהירותך, הוא חשף יחסיות מיוחדת; היה צורך לכתוב מחדש את מושגי הזמן והמרחב כדי לשמור על סימטריה זו של הטבע. והוספת כוח משיכה לתערובת ההיא הובילה אותו אל תורת היחסות הכללית, ההבנה המודרנית שלנו של אותו כוח.

אפילו חוקי השימור שלנו - שימור אנרגיה, שימור המומנטום וכן הלאה - תלויים בסימטריה. העובדה שתוכלו לבצע ניסוי יום אחר יום ולקבל את אותה התוצאה מגלה סימטריה לאורך זמן, אשר באמצעות הגאונות המתמטית של אמי נותר מוביל לחוק שיחת אנרגיה. ואם תרים את הניסוי שלך ותעביר אותו לאורך החדר ועדיין תקבל את אותה התוצאה, אתה פשוט חשפת סימטריה בחלל, ושמירה על המומנטום המקביל.

מראה מסתובבת

בעולם המקרוסקופי, זה כמעט מסכם את כל הסימטריות בהן נתקלנו בטבע. אבל העולם התת-אטומי הוא סיפור אחר. החלקיקים הבסיסיים של היקום שלנו יש מאפיין מעניין המכונה "ספין". זה התגלה לראשונה בניסויים שירה אטומים בשדה מגנטי מגוון, וגרם לשביליהם להתהפך באותו אופן בדיוק כמו כדור מתכת מסתובב וטעון חשמלי.

אבל חלקיקים תת-אטומיים אינם מסתובבים, כדורי מתכת טעונים חשמלית; הם פשוט מתנהגים כמוהם בניסויים מסוימים. ובניגוד לאנלוגים העולמיים הרגילים שלהם, חלקיקים תת-אטומיים לא יכולים לקבל כמות סיבוב שהם רוצים. במקום זאת, כל סוג של חלקיק מקבל כמות ספין ייחודית משלו.

מסיבות מתמטיות מעורפלות שונות, חלקיקים כמו האלקטרון יכולים להסתובב של ½ ואילו חלקיקים אחרים כמו הפוטון מקבלים סיבוב של 1. אם אתה תוהה איך פוטון יכול להתנהג כמו כדור מתכת טעון מסתובב, אז אל תזיע אותו יותר מדי; אתה חופשי רק לחשוב על "ספין" כמו עוד תכונה של חלקיקים תת-אטומיים שעלינו לעקוב אחריהם, כמו המסה והמטען שלהם. ולחלקיקים יש יותר מהמאפיין הזה, ולחלקם יש פחות.

באופן כללי, ישנן שתי "משפחות" חלקיקיות נהדרות: אלה עם מספר שלם שלם (1/2, 3/2, 5/2 וכו ') מסתובבים, ואלה עם מספר שלם שלם (0, 1, 2, וכו') .) סיבוב. בני השלושים נקראים "פרמיונים" ומורכבים מאבני הבניין של עולמנו: אלקטרונים, קווארקים, נייטרינים וכדומה. השלמים נקראים "בוזונים" והם נשאי כוחות הטבע: פוטונים, גלונים ושאר.

במבט ראשון שתי משפחות החלקיקים הללו לא יכולות להיות שונות זו מזו.

סימפוניה של חלקיקים

בשנות השבעים, תיאורטיקנים מיתרים התחלתי להביט בביקורת על המאפיין הזה של הספין והתחיל לתהות אם יש שם סימטריה של הטבע. הרעיון התרחב במהירות מחוץ לקהילת המיתרים והפך לתחום פעיל במחקר על פני פיזיקת החלקיקים. אם נכון, "העל-סימטריה" הזו תאחד בין שתי משפחות החלקיקים לכאורה. אבל איך תיראה העל-סימטריה הזו?

התמצית הבסיסית היא שבסימטריה העל, לכל פרמיון יהיה "חלקיק סופר-חלקי" (או "ספרטיק" בקיצור - והשמות רק הולכים ומחמירים) בעולם הבוסון, ולהיפך, עם אותה המסה בדיוק וגובים אך סיבוב אחר.

אבל אם נלך לחפש את השעריקים, אנו לא מוצאים. לדוגמא, לחלל האלקטרון ("הסלקרון") צריך להיות אותו המסה והמטען כמו האלקטרון, אך סיבוב של 1.

החלקיק הזה לא קיים.

אז איכשהו, סימטריה זו חייבת להישבר ביקום שלנו, ולהוביל את המוני החלקיקים מחוץ לתחום של רוכבי החלקיקים שלנו. ישנן דרכים רבות ושונות להשגת סימטריות-על, כולם מנבאים המונים שונים לסלקונים, עצירות הקווארקים, הסנוטרינו וכל אחד אחר.

עד כה לא נמצאו עדויות לעל-סימטריה העל, וניסויים במחקר קדריידר גדול שללו את הדגמים העל-סימטריים הפשוטים ביותר. אף על פי שזה לא המסמר האחרון בארון הקבורה, תיאורטיקנים מגרדים את הראש, תוהים אם העל-סימטריה לא ממש נמצאת בטבע, ועל מה עלינו לחשוב עליה אם לא נוכל למצוא שום דבר.

• היקום: המפץ הגדול עד עכשיו בעשרה צעדים פשוטים
• תיאורטיקנים 'סופרגרבייט' זוכים בפרס פריצת דרך בפיזיקה בסכום של 3 מיליון דולר
• חלקיקים מסתוריים התפוחים מאנטארקטיקה מתריסים על הפיזיקה

למידע נוסף על ידי האזנה לפרק "האם שווה תורת המיתרים? (חלק 4: מה שאנחנו צריכים זה גיבור-על)" בפודקאסט Ask A Spaceman, זמין ב iTunes, ובאינטרנט ב http://www.askaspaceman.com. תודה לג'ון סי, זכרי ח., @ Edit_room, מתיו י., כריסטופר ל. קריזנה וו., סיאן פ., נה ש., זכרי ח., ג'ויס ס., מאוריציו מ., @ שרנישה, פנוס ., דרוב ר., מריה א., טר ב., OiSnowy, אוון ט., דן מ., ג'ון ט., טוובלנצארד, אורי, כריסטופר מ., @ Unplugged_wire, ג'אקומו ש., גולי פ. לשאלות שהובילו ליצירה הזו! שאל את השאלה שלך בטוויטר באמצעות #AskASpaceman, או על ידי עקוב אחר פול @PaulMattSutter ו facebook.com/PaulMattSutter. עקבו אחרינו בטוויטר @ Spacedotcom או פייסבוק.