Was ist Supersymmetrie?

Schneller als eine rasende Kugel! Stärker als eine Lokomotive! Kann hohe Gebäude mit einem einzigen Sprung überspringen! Es ist natürlich Supersymmetrie. (SUSY, wenn Sie seine niedlichere, inkognito Persönlichkeit bevorzugen.) Von allen Superhelden, die wir im Universum haben, könnte Supersymmetrie derjenige sein, der uns vor der totalen Vernichtung retten wird. Nicht, weil es Bösewichte bekämpft oder Bösewichte überlistet, sondern weil es vielleicht erklärt, wie die kleinsten, elementarsten Teile des Kosmos funktionieren. Schalte das Universum frei und wer weiß, wogegen wir uns wehren können.

Wer ist unser cleverer Held? Unsere muskulöse Heldin? Nun, es ist mehr mausiger Peter Parker als höflicher Spider-Man. Es ist eigentlich ein Prinzip – das dazu gedacht ist, die Löcher eines anderen Frameworks zu füllen – von dem Physiker zu befürchten beginnen, dass es nicht halb so stark ist, wie es scheint. Die Supersymmetrie hat vielleicht endlich ihren Gegner gefunden, und der Large Hadron Collider ist die Arena, in der sie vielleicht ihren letzten Atemzug machen könnte.

Erstmal einen Schritt zurück. Das Standardmodell ist das, was Physiker heute verwenden, um die Grundlagen des Universums zu verstehen. Es definiert die fundamentalen Teilchen sowie die vier Kräfte, die mit den Teilchen interagieren, um das Universum am Laufen zu halten. Zu diesen Teilchen gehören Quarks und Leptonen: Protonen und Neutronen sind Ihnen vielleicht aus der Familie der Quarks bekannt, Elektronen und Neutrinos als Leptonen. Die Kräfte sind stark, schwach, elektromagnetisch und gravitativ.

Das Standardmodell sagt auch, dass jede dieser Kräfte ein entsprechendes Teilchen (oder Boson) hat. Durch den Austausch von Bosonen untereinander kann Materie untereinander Energie übertragen [Quelle: CERN ]. Und hier ist etwas wirklich Praktisches: Jedes Teilchen im Standardmodell wurde gefunden, einschließlich – vor nicht allzu langer Zeit – des Higgs-Bosons . Das Higgs bildet ein größeres Higgs-Feld, das Masse auf Teilchen überträgt.

Jetzt ist hier eine seltsame Sache. Wenn das Standardmodell richtig ist, bedeutet dies, dass das Higgs-Feld subatomaren Teilchen ihre Masse gibt. Aber es sagt nicht aus, was die Massen sind, noch erklärt es, warum das Higgs-Boson leicht wäre – es sollte wirklich, wirklich schwer sein, wenn die anderen Teilchen des Standardmodells wie vorhergesagt damit interagieren.

Hier kommt die Supersymmetrie ins Spiel. Wie die Leute von Fermilab uns daran erinnern, ist Supersymmetrie ein Prinzip, keine Theorie, das heißt, es gibt viele supersymmetrische Theorien, die sich in verschiedenen Punkten unterscheiden. Alle von ihnen verfügen jedoch über supersymmetrische Gleichungen, die Materie und Kräfte identisch behandeln [Quelle: Fermilab ]. Ja, Materie und Kraft können vertauscht werden.

Wie kann dieser Balanceakt sein? Supersymmetrie besagt, dass jedes im Standardmodell beschriebene Teilchen einen Superpartner mit unterschiedlicher Masse hat. Jedes bekannte Materieteilchen (oder Fermion ) hat also ein Kraftteilchen (oder Boson ) und umgekehrt. Ein Elektron ist ein Beispiel für ein Fermion, während ein Photon ein Beispiel für ein Boson ist. Eine der nützlichsten Eigenschaften der Superpartner wäre, dass sie tatsächlich die wirklich, wirklich große Masse aufheben würden, die das Standardmodell für die Higgs vorhersagt. Was großartig klingt, denn hey – wir haben das Higgs gefunden, und es war nicht so massiv. Supersymmetrie lebt! Viva la Supersymmetrie!

Uh, aber vielleicht möchten Sie damit warten, denn hier liegt ein großes Problem mit der Supersymmetrie und den Superpartnern: Wir haben sie nicht gesehen. Während es großartig ist, das Higgs bei den Vorhersagen der Massensupersymmetrie zu finden, sollten wir wirklich auch all diese Superpartner-Teilchen sehen. Und nachdem wir den Large Hadron Collider jahrelang betrieben haben, haben wir das nicht.

Ja, ja, es ist ein bisschen schwer zu rechtfertigen, an der Supersymmetrie festzuhalten. Wir gehen davon aus, dass all diese Superpartner existieren, weil das Standardmodell einfach mehr Sinn machen würde, wenn dies der Fall wäre. Scheint schlechte Wissenschaft zu sein, oder?

Nun, nicht so schnell. Supersymmetrie würde mehr als nur die Higgs-Frage beantworten, und die Möglichkeit, mehrere Probleme mit einer Lösung zu lösen, ist für Wissenschaftler attraktiv [Quelle: Fermilab ]. Zum Beispiel verstanden die Physiker nicht, warum sich Galaxien angesichts ihrer beträchtlichen Masse so schnell drehen, also postulierten sie eine neue Materie – dunkle Materie – um das Problem zu lösen. Dann stießen sie auf ein größeres Problem: Wenn dunkle Materie existiert, woraus in aller Welt besteht sie? Wir hatten es noch nie gesehen, also konnten wir nicht sagen, was das mysteriöse Zeug ausmacht. Supersymmetrie löst dieses Problem, denn das leichteste supersymmetrische Teilchen würde vollständig in die Rechnung der Dunklen Materie passen.

Ein weiterer Segen, den die Supersymmetrie bieten würde? Dass die drei Kräfte, die wir auf subatomarer Ebene verstehen (stark, schwach und elektromagnetisch), als Teil einer vereinigenden Kraft verstanden werden könnten. Während das Standardmodell besagt, dass die Kräfte bei sehr hohen Energien ähnlich werden, würde die Supersymmetrie vorhersagen, dass sich die drei Kräfte bei einer einzigen Energie vereinen [Quelle: Fermilab ]. Nun, das ist nicht notwendig, um „Sinn“ zu machen, aber – wie gesagt – Physiker mögen natürliche, elegante Lösungen. Supersymmetrie würde genau die Art von Lösung schaffen, nach der sich Physiker sehnen, wenn es um die Frage der Vereinigung von Kräften geht.

Noch einmal müssen wir daran erinnern, dass all dies umsonst ist, wenn wir diese Superpartner nicht finden. Wenn wir sie nicht finden können, haben wir keine Erklärung für die Masse des Higgs-Bosons, die dunkle Materie oder die Vereinigung der Kräfte. Aber wir rufen den Zeitpunkt des Todes der Supersymmetrie an, bevor wir ihr eine Chance zum Kampf gegeben haben.

Denn Hoffnung könnte in Form einer massiven Protonenexplosion auf dem Weg sein. Richtig, unsere Hoffnungen ruhen immer noch auf dem Large Hadron Collider, dem Teilchenbeschleuniger, der 2012 für den Nachweis des Higgs-Bosons verantwortlich war. Während die Suche nach dem Higgs-Boson zweifellos eine große Sache für Befürworter der Supersymmetrie war – und Physiker im Allgemeinen – Was sie wirklich hofften, war, ein paar Partikel zu finden. Genauer gesagt, ein Haufen dieser schwer fassbaren Superpartner, die uns dazu bringen würden zu verstehen, dass Supersymmetrie realistisch ist.

Es ist nicht übertrieben zu sagen, dass das Auffinden nur der Higgs (und keiner anderen Superpartner) am LHC eine kleine Krise in der Welt der Physik verursacht hat. Damit die Higgs-Masse Sinn macht, hätten die Superpartner schließlich ungefähr an derselben Stelle gefunden werden müssen [Quelle: Wolchover ]. Der LHC soll 2015 wieder anlaufen und Protonen mit noch höheren Energien zum Absturz bringen, um hoffentlich Superpartner mit höheren Massen zu finden. Leider löst das das Problem nicht ganz: Selbst wenn sie massereiche Superpartner finden würden, würden die sehr bequemen Effekte der Supersymmetrie – dass sie die superschwere Masse des Higgs aufheben würde – nicht so gut funktionieren [Quelle: Wolchover ]. Wir würden also wieder einmal in einem Supersymmetrie-Trott stecken.

Aber wie die Leute angemerkt haben, ist Supersymmetrie ein Prinzip, keine Theorie. In einigen supersymmetrischen Szenarien hätte der Large Hadron Collider die Superpartner aufgrund von Einschränkungen der Experimente und ihrer Unfähigkeit, weniger stabile Partikel zu erkennen, nicht erkennen können [Quelle: Wolchover ]. Während die Supersymmetrie also wahrscheinlich ziemlich schnell mit einer ziemlich guten Entschuldigung für ihre Verspätung keuchend in den Raum rennen muss, ist es noch nicht an der Zeit, die Tür zu schließen.

Anmerkung des Autors: Was ist Supersymmetrie?

Diese MIA-Superpartner beginnen, einige Physiker wirklich auszuflippen. Es wäre eine wirklich große Sache, wenn wir sie nie sehen würden, denn die Teilchenphysik braucht dringend überprüfbare Theorien. Ohne Superpartner – oder zumindest ohne Möglichkeit, sie in unserem Universum zu verifizieren – müssten wir eine andere testbare Lösung für einige der Löcher des Standardmodells finden.

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