La supersimetría , o simetría de Fermi-Bose , es una simetría hipotética que conecta bosones y fermiones en la naturaleza [1] . La transformación de supersimetría abstracta vincula los campos cuánticos bosónicos y fermiónicos para que puedan convertirse entre sí. En sentido figurado, podemos decir que la transformación de la supersimetría puede traducir la materia en interacción (o en radiación ), y viceversa.
La supersimetría implica duplicar (al menos) el número de partículas elementales conocidas debido a la presencia de supercompañeros. Para un fotón - photino , quark - squark , higgs - higgsino , W-boson - wine , gluon - gluino y así sucesivamente. Los supercompañeros deben tener un valor de espín que sea medio entero diferente del valor de espín de la partícula original [2] [3] .
La supersimetría es una hipótesis física que no ha sido confirmada experimentalmente. Queda absolutamente establecido que nuestro mundo no es supersimétrico en el sentido de simetría exacta, ya que en cualquier modelo supersimétrico, los fermiones y bosones conectados por una transformación supersimétrica deben tener la misma masa , carga y otros números cuánticos (a excepción del espín ). Este requisito no se cumple para las partículas conocidas en la naturaleza. Sin embargo, se supone que existe un límite de energía más allá del cual los campos están sujetos a transformaciones supersimétricas, pero no dentro del límite. En este caso, las partículas supercompañeras de las ordinarias resultan ser muy pesadas en comparación con las ordinarias [4] .
La búsqueda de supercompañeros de partículas ordinarias es una de las principales tareas de la física moderna de altas energías [4] . Se espera que el Gran Colisionador de Hadrones [5] sea capaz de descubrir e investigar partículas supersimétricas, si existen, o poner en duda hipótesis supersimétricas si no se encuentra nada.
La supersimetría fue propuesta por primera vez en 1973 por el físico austriaco Julius Wess y el físico italiano Bruno Zumino para describir las partículas nucleares [6] [7] . El aparato matemático de la teoría fue descubierto incluso antes, en 1971-1972, por los físicos soviéticos Yuri Golfand y Evgeny Likhtman [8] de FIAN , así como por Dmitry Volkov y Vladimir Akulov [9] [10] [11] de KIPT . La supersimetría surgió por primera vez en el contexto de la versión de la teoría de cuerdas propuesta por Pierre Ramon, John Schwartz y André Neveu, pero el álgebra de supersimetría se utilizó posteriormente con éxito en otras áreas de la física.
El principal modelo físico de la física moderna de altas energías, el modelo estándar , no es supersimétrico, pero puede extenderse a una teoría supersimétrica. La extensión supersimétrica mínima del modelo estándar se denomina "modelo estándar supersimétrico mínimo" (MSSM). En MSSM, se deben agregar campos adicionales para construir un multiplete supersimétrico con cada campo del modelo estándar. Para los campos materiales de fermiones ( quarks y leptones ), debe introducir campos escalares ( squarks y sleepons) , dos campos para cada campo del modelo estándar. Para los campos bosónicos vectoriales —gluones, fotones, bosones W y Z— se introducen los campos de fermiones gluino , fotino , zino y vino , también dos por cada grado de libertad del Modelo Estándar. Para romper la simetría electrodébil en MSSM, debe introducir 2 dobletes de Higgs (en el modelo estándar habitual, se introduce un doblete de Higgs), es decir, surgen 5 grados de libertad de Higgs en MSSM: un bosón de Higgs cargado (2 grados de libertad) , un bosón de Higgs escalar ligero y pesado y un bosón pseudoescalar de Higgs.
En cualquier teoría supersimétrica realista, debe haber un sector que rompa la supersimetría. La violación más natural de la supersimetría es la introducción de los llamados términos de ruptura suave en el modelo. Actualmente se están considerando varias variantes de ruptura de la supersimetría .
La primera versión de MSSM fue propuesta en 1981 por los físicos estadounidenses Howard Georgi y Savas Dimopoulos .
Las teorías que incluyen la supersimetría brindan la oportunidad de resolver varios problemas inherentes al modelo estándar:
Independientemente de la existencia de supersimetría en la naturaleza, el aparato matemático de las teorías supersimétricas resulta útil en varios campos de la física. En particular, la mecánica cuántica supersimétrica hace posible encontrar soluciones exactas a ecuaciones de Schrödinger altamente no triviales . La supersimetría resulta útil en algunos problemas de física estadística (por ejemplo, el modelo sigma supersimétrico).
La mecánica cuántica supersimétrica se diferencia de la mecánica cuántica en que incluye la superálgebra SUSY, a diferencia de la teoría cuántica de campos. La mecánica cuántica supersimétrica a menudo se vuelve relevante cuando se estudia la dinámica de los solitones supersimétricos, y debido a la naturaleza simplista de los campos, que dependen del tiempo (en lugar del espacio-tiempo), se ha logrado un gran progreso en este enfoque y la teoría ahora se está estudiando en por derecho propio.
La mecánica cuántica SUSY considera pares de hamiltonianos que se encuentran en una determinada relación matemática, llamados hamiltonianos asociados . Y los términos correspondientes de la energía potencial incluidos en los hamiltonianos se conocen como potenciales asociados . El teorema principal muestra que para cada estado propio de un hamiltoniano, su compañero hamiltoniano tiene un estado propio correspondiente con la misma energía. Este hecho se puede utilizar para derivar muchas propiedades del espectro de valores propios. Esto es análogo a la nueva descripción de SUSY, que se refería a bosones y fermiones. Uno puede imaginar un "Hamiltoniano bosónico" cuyos estados propios son los diversos bosones de nuestra teoría. Y el socio SUSY de este hamiltoniano será "fermión", y sus estados propios serán los fermiones de la teoría. Cada bosón tendrá un compañero fermión de igual energía.
El concepto de SUSY ha resultado útil para algunas aplicaciones de aproximaciones semiclásicas . Además, SUSY se aplica a sistemas con desorden promedio, tanto cuánticos como no cuánticos (a través de la mecánica estadística ), la ecuación de Fokker-Planck es un ejemplo de una teoría no cuántica. La "supersimetría" en todos estos sistemas surge del hecho de que se está modelando una sola partícula, por lo que las "estadísticas" son irrelevantes. El uso del método de la supersimetría proporciona una alternativa matemáticamente rigurosa al método de la réplica , pero solo en sistemas que no interactúan, que intenta resolver el llamado "problema del denominador" cuando se promedia sobre el desorden. Para obtener más información sobre las aplicaciones de la supersimetría en la física de la materia condensada, consulte Efetov (1997) [15] .
En 2011, se llevó a cabo una serie de experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), durante los cuales se probaron las conclusiones fundamentales de la teoría de la supersimetría, así como la exactitud de su descripción del mundo físico. Como afirmó el 27 de agosto de 2011 la profesora de la Universidad de Liverpool Tara Shears , los experimentos no confirmaron las principales disposiciones de la teoría [16] [17] . Al mismo tiempo, Tara Shears aclaró que tampoco se confirmó la versión simplificada de la teoría de la supersimetría, pero los resultados obtenidos no refutan una versión más compleja de la teoría.
A finales de 2012, se acumularon estadísticas sobre la descomposición de un extraño mesón B en dos muones en el detector LHCb del Gran Colisionador de Hadrones [18] . Los resultados preliminares coincidieron con la predicción del modelo estándar de (3,66 ± 0,23)⋅10 -9 , mientras que su extensión supersimétrica predice una mayor probabilidad de descomposición. En la primavera de 2015, las colaboraciones LHCb y CMS combinaron sus datos sobre la descomposición del extraño mesón B en un par muón-antimuón y obtuvieron una probabilidad de descomposición de 2,8 .+0,7
−0,6⋅10 -9 con un nivel de significación estadística de 6,2 σ. Por lo tanto, la probabilidad de este evento extremadamente raro es estadísticamente significativa y concuerda bien con la predicción del modelo estándar. [19] .
Los resultados de comprobar el momento dipolar eléctrico del electrón (2013) tampoco confirmaron las variantes de las teorías supersimétricas [20] .
Sin embargo, las teorías supersimétricas pueden ser confirmadas por otros experimentos, en particular, las observaciones de la descomposición del mesón neutral B 0 . [21] . Después de reiniciar en la primavera de 2015, el LHC planea comenzar a operar a 13 TeV y continuar buscando desviaciones de las predicciones estadísticas del Modelo Estándar. [22] [23] .
La falta de datos experimentales que confirmaran la teoría de la supersimetría provocó la aparición de críticos de esta teoría incluso entre los antiguos entusiastas de la supersimetría. Por eso, el teórico Mikhail Shifman publicó un artículo crítico allá por octubre de 2012 [24] . En el artículo, escribió directamente que la teoría de la supersimetría no tiene perspectivas, que debe abandonarse por el bien de las nuevas ideas y por el bien de una nueva generación de físicos teóricos (para que no se conviertan en una generación perdida).
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