Mikä on supersymmetria? Selitys, merkitys ja yhteys pimeään aineeseen
Supersymmetria selitetty: teoria, sen merkitys ja mahdollinen yhteys pimeään aineeseen — mitä LHC-tulokset kertovat ja miksi löydös mullistaisi fysiikan.
Supersymmetria on tieteellinen teoria, jonka mukaan kun maailmankaikkeuden alussa syntyi alkeishiukkasia (kuten fotoneja, elektroneja ja kvarkkeja), syntyi myös vastaavia teoreettisia "superhiukkasia". Jos tämä teoria pitää paikkansa, maailmankaikkeuden hiukkaslajit ainakin kaksinkertaistuisivat. Jos maailmankaikkeudessa on ylimääräisiä ulottuvuuksia (Edward Wittenin M-teoria ennustaa jopa 11 ulottuvuutta), olisi myös enemmän tapoja symmetriaan ja enemmän erilaisia superhiukkasia.
Lyhyesti sanottuna supersymmetria (lyhennetty SUSY englanninkielisestä termistä supersymmetry) on periaate, jonka mukaan jokaiselle fermionille (hiukkanen, jolla on puoliksi kokonaislukuinen spin, esimerkiksi elektronit ja kvarkit) on olemassa vastineena bosoni-tyyppinen superkumppani, ja päinvastoin. Näiden kumppanihiukkasten spin eroaa alkuperäisestä hiukkasesta puoli yksikköä (esim. fermionista tulee bosoninen kumppani ja bosonista fermioninen kumppani). Näitä kumppaneita kutsutaan yleisesti nimillä kuten sfermionit, gaugino(t) ja higgsino(t).
Miksi supersymmetria kiinnostaa fyysikoita?
Supersymmetria tarjoaa useita houkuttelevia ratkaisuja nykyfysiikan avoimiin ongelmiin:
- Hierarkia-ongelma: Supersymmetria voi suojata Higgsin kentän massaa suurilta kvanttikorrektioilta, mikä selittäisi miksi heikko vuorovaikutus on niin paljon voimakkaampi kuin gravitaatio ilman suurta hienosäätöä.
- Gaugien kytkentöjen yhtenäistyminen: Kun supersymmetria lisätään standardimalliin, vahvojen ja heikkojen vuorovaikutusten sekä sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kytkentätasojen extrapolaatio korkeille energioille lähenee paremmin yhtenäistä pistettä, mikä antaa tukea yhtenäisteorioille.
- Pimeä aine: Monet supersymmetrian mallit ennustavat vakaan, neutraalin ja heikosti vuorovaikuttavan hiukkasen, joka sopii pimeän aineen rooliin. Esimerkiksi MSSM-mallissa (Minimal Supersymmetric Standard Model) neutraaliino on pitkäaikainen kandidaatti.
- Yhteys säieteoriaan ja teoreettinen yhtenäisyys: Supersymmetria on olennainen osa moniulotteisia teoriaita kuten säieteoriaa ja tarjoaa laajemman symmetriarungon fysiikalle.
Miten supersymmetria toimii käytännössä?
Supersymmetria ei tarkoita pelkästään hiukkasparien olemassaoloa, vaan sillä on useita käytännön seurauksia mallien rakenteelle:
- Superkumppanien nimet: Fermioneille lisätään etuliite tai loppuosa (esim. kvarkin superkumppani on "squark" tai "squark"–tyyppinen sfermioni), bosoneille voi tulla -ino-pääte (esim. fotonin kumppani on fotino).
- Useampia Higgsin hiukkasia: MSSM vaatii vähintään kaksi Higgsin kaksoiskenttää, minkä seurauksena fyysisessä spektrissä on useampi Higgs-bosoni kuin standardimallissa.
- R-pariteetti ja vakaat hiukkaset: Monissa malleissa käytetään niin kutsuttua R-pariteettiä, joka estää tiettyjä hajotuksia ja tekee kevyimmästä supersymmetrian hiukkasesta (LSP, lightest supersymmetric particle) vakaan — siksi se on hyvä pimeän aineen kandidaatti.
- Supersymmetria voi olla rikkoutunut: Jos supersymmetria olisi eksakti, emme näkisi superkumppaneita samassa massassa kuin tunnetut hiukkaset. Siksi oletetaan, että supersymmetria on rikkoutunut alhaisemmilla energioilla, mikä antaa superkumppaneille suuremmat massat.
Yhteys pimeään aineeseen
Yksi konkreettisimmista supersymmetrian ennusteista liittyy pimeään aineeseen. Jos R-pariteetti säilyy, kevyin supersymmetrian hiukkanen (esim. neutraalino tai gravitino riippuen mallista) on vakaa ja vuorovaikuttaa vain heikosti tavallisen aineen kanssa — juuri sellainen kuin kosmologiset havainnot pimeältä aineelta vaativat. Supersymmetria selittää myös, miten tällainen hiukkanen on muodostunut oikeassa määrässä alkuräjähdyksen jälkeisessä evoluutiossa (ns. terminen jäämiäisyys), mutta monet yksityiskohdat riippuvat mallin parametreista.
Kokeelliset haut ja nykyinen tilanne
Supersymmetrialle etsitään varmistusta useilla tavoilla:
- Suuret hiukkastörmäyttäjät (esim. LHC): etsivät suoria tuottoja superkumppaneille ja epäsuoria merkkejä, kuten suurta puuttuvaa energiaa (missing transverse energy) ja harvinaisia hajoamiskanavia. Toistaiseksi Suurella hadronitörmäyttimellä tehtyjen kokeiden yhteydessä ei ole löydetty vakuuttavia todisteita supersymmetriasta, ja matalimmissa energioissa odotetut kevyet superkumppanit on käytännössä suljettu pois.
- Epäsuorat havainnot: prosessien harvinaiset poikkeamat, tarkat mittaukset ja pimeän aineen etsintä (suorat ja epäsuorat havaitsemismenetelmät) voivat antaa vihjeitä.
- Astrofysikaaliset ja kosmologiset havainnot: pimeän aineen ominaisuudet, galaksien muodostuminen ja kosmisen mikroulova taustasäteily antavat rajoituksia pimeän aineen hiukkasimäärille ja ominaisuuksille.
Nykyisen kokeellisen tilanteen seurauksena perinteinen "luonnollinen" supersymmetria, jossa superkumppanit olisivat lähellä heikon vuorovaikutuksen energiaskaalaa, on joutunut paineeseen; vaihtoehtoisia malleja — kuten split SUSY tai korkeammassa energiaskaalassa rikkoutuva SUSY — tutkitaan aktiivisesti.
Teoreettisia vaihtoehtoja ja liitännäisajatuksia
On olemassa monia supersymmetrian muunnelmia: N=1 supersymmetria on laajalti tutkittu minimalisti, mutta on myös laajennuksia N=2, N=4 jne., joilla on erilaiset ominaisuudet. Lisäksi osa teoreetikoista tutkii mallien hienosäätöä, luonnollisuutta ja sitä, miten supersymmetria saattaisi liittyä muihin uusien fysiikkojen ehdotuksiin, kuten lisäulottuvuuksiin ja säieteoriaan.
Vaikka supersymmetria tarjoaa eleganssia ja ratkaisuja moniin ongelmiin, sen puuttuminen kokeellisesta datasta tekee siitä edelleen hypoteesin. Tulevat kokeet, tarkemmat analyysit ja mahdollisesti uudet törmäyttimet tai pimeän aineen havainnot ratkaisevat, onko supersymmetria osa luonnon perusrakennetta vai ohjelmallinen mutta eksakteista havainnoista erillinen teoria.
Supersymmetria oli Hironari Miyazawan (s. 1927) idea.
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mitä on supersymmetria?
A: Supersymmetria on tieteellinen teoria, jossa ehdotetaan, että maailmankaikkeuden alussa syntyneille alkeishiukkasille on olemassa toisiaan vastaavia teoreettisia "superhiukkasia".
K: Kuinka monta erilaista hiukkasta supersymmetria loisi?
V: Supersymmetria vähintään kaksinkertaistaisi maailmankaikkeudessa olevien hiukkaslajien määrän.
K: Kuinka monta ylimääräistä ulottuvuutta M-teoria ennustaa?
V: M-teoria ennustaa jopa 11 ylimääräistä ulottuvuutta.
K: Mitä aukkoja fysiikan standardimallissa supersymmetria täyttäisi?
V: Supersymmetria täyttäisi monia aukkoja fysiikan standardimallissa, kuten pimeän aineen.
K: Mikä on supersymmetrian ja säieteorian välinen suhde?
V: Supersymmetria antaisi tukea säieteorian ajatuksille.
K: Mikä on suuri hadronitörmäytin?
V: Large Hadron Collider on hiukkaskiihdytin, joka sijaitsee Ranskan ja Sveitsin rajalla.
K: Onko Large Hadron Colliderilla tehdyissä kokeissa tähän mennessä löydetty todisteita supersymmetriasta?
V: Ei, Large Hadron Colliderin kokeissa ei ole toistaiseksi löydetty todisteita supersymmetriasta.
Etsiä