Siêu đối xứng là gì?

Nhanh hơn một viên đạn tăng tốc! Mạnh mẽ hơn đầu máy xe lửa! Có thể nhảy nhà cao tầng trong một ràng buộc duy nhất! Tại sao, tất nhiên là siêu đối xứng. (SUSY, nếu bạn thích tính cách ẩn danh, dễ thương hơn của nó.) Trong số tất cả các siêu anh hùng mà chúng ta có trong vũ trụ, siêu đối xứng có thể là thứ sẽ cứu chúng ta khỏi sự hủy diệt hoàn toàn. Không phải vì nó chiến đấu với kẻ xấu hay đánh bại những kẻ phản diện, mà bởi vì nó có thể giải thích cách hoạt động của những phần nhỏ nhất, cơ bản nhất của vũ trụ. Mở khóa vũ trụ và ai biết chúng ta có thể tự bảo vệ mình chống lại điều gì.

Anh hùng thông minh của chúng ta là ai? Nữ anh hùng cơ bắp của chúng ta? Chà, đó là Peter Parker nhu mì hơn là Người Nhện. Đó thực sự là một nguyên tắc - được hình thành để lấp đầy các lỗ hổng của một khuôn khổ khác - mà các nhà vật lý bắt đầu lo sợ rằng nó không mạnh bằng một nửa như nó tưởng. Siêu đối xứng cuối cùng có thể đã đáp ứng được sự phù hợp của nó, và Máy va chạm Hadron Lớn là đấu trường nơi nó có thể trút hơi thở cuối cùng.

Đầu tiên, một bước lùi. Mô hình Chuẩn là cái mà các nhà vật lý ngày nay sử dụng để hiểu những gì thô sơ của vũ trụ. Nó xác định các hạt cơ bản, cũng như bốn lực tương tác với các hạt để giữ cho vũ trụ hoạt động theo. Những hạt này bao gồm quark và lepton: Bạn có thể quen thuộc với proton và neutron từ họ quark, và electron và neutrino là lepton. Các lực mạnh, yếu, điện từ và lực hấp dẫn.

Mô hình Chuẩn cũng nói rằng mỗi lực đó có một hạt (hoặc boson) tương ứng. Bằng cách trao đổi boson với nhau, vật chất có thể truyền năng lượng cho nhau [nguồn: CERN ]. Và đây là điều thực sự thuận tiện: Mọi hạt trong Mô hình Chuẩn đều đã được tìm thấy, bao gồm - cách đây không lâu - boson Higgs . Hạt Higgs tạo nên trường Higgs lớn hơn, trường này truyền khối lượng cho các hạt.

Bây giờ đây là một điều kỳ lạ. Nếu Mô hình Chuẩn là đúng, điều đó có nghĩa là trường Higgs cho các hạt hạ nguyên tử khối lượng của chúng. Nhưng nó không nói khối lượng là gì, cũng không giải thích tại sao hạt Higgs lại nhẹ - nó phải thực sự rất nặng nếu các hạt Mô hình Chuẩn khác tương tác với nó theo cách nó được dự đoán.

Đây là lúc siêu đối xứng xuất hiện. Như những người ở Fermilab đã nhắc chúng ta, siêu đối xứng là một nguyên tắc, không phải là một lý thuyết, vì vậy điều đó có nghĩa là có rất nhiều lý thuyết siêu đối xứng khác nhau về nhiều điểm. Tuy nhiên, tất cả chúng đều có các phương trình siêu đối xứng xử lý vật chất và lực giống nhau [nguồn: Fermilab ]. Đúng, vật chất và lực lượng có thể hoán đổi cho nhau.

Làm thế nào mà hành động cân bằng có thể được? Phép siêu đối xứng nói rằng mọi hạt được mô tả trong Mô hình Chuẩn đều có một chất siêu đối xứng với khối lượng khác nhau. Vì vậy, mọi hạt vật chất đã biết (hoặc fermion ) đều có một hạt lực (hoặc boson ) và ngược lại. Một điện tử là một ví dụ về fermion, trong khi một photon là một ví dụ về boson. Một trong những đặc tính hữu ích nhất của các chất siêu đối tác là chúng sẽ thực sự hủy bỏ khối lượng thực sự rất lớn mà Mô hình Chuẩn dự đoán hạt Higgs sẽ có. Nghe có vẻ tuyệt vời, bởi vì này - chúng tôi đã tìm thấy hạt Higgs, và nó không lớn như vậy. Siêu đối xứng đang tồn tại! Viva la siêu đối xứng!

Uh, nhưng bạn có thể muốn đợi điều đó vì ở đây có một vấn đề lớn với siêu đối xứng và siêu đối xứng: Chúng tôi chưa nhìn thấy chúng. Mặc dù thật tuyệt khi tìm thấy hạt Higgs theo dự đoán của siêu đối xứng khối lượng, nhưng chúng ta cũng thực sự nên nhìn thấy tất cả các hạt siêu đối xứng này. Và sau khi chạy Máy va chạm Hadron Lớn trong nhiều năm, chúng tôi vẫn chưa làm được.

Vâng, vâng, hơi khó để biện minh cho việc dựa vào tính siêu đối xứng. Chúng tôi giả định rằng tất cả những đối tác siêu cấp này đều tồn tại bởi vì Mô hình Chuẩn sẽ có ý nghĩa hơn nếu chúng tồn tại. Có vẻ như là khoa học tồi, phải không?

Chà, không nhanh như vậy. Siêu đối xứng sẽ trả lời nhiều hơn câu hỏi về hạt Higgs, và việc có thể giải quyết nhiều vấn đề với một giải pháp đang hấp dẫn các nhà khoa học [nguồn: Fermilab ]. Ví dụ, các nhà vật lý không hiểu tại sao các thiên hà quay nhanh như chúng, với khối lượng đáng kể của chúng, vì vậy họ đặt ra một vật chất mới - vật chất tối - để giải quyết vấn đề. Sau đó, họ gặp phải một vấn đề lớn hơn: Nếu vật chất tối tồn tại, nó được làm bằng gì trên thế giới? Chúng tôi chưa bao giờ nhìn thấy nó, vì vậy chúng tôi không thể nói điều gì tạo nên thứ bí ẩn. Siêu đối xứng giải quyết được vấn đề đó, bởi vì hạt siêu đối xứng nhẹ nhất sẽ hoàn toàn phù hợp với hóa đơn vật chất tối.

Một lợi ích khác mà siêu đối xứng sẽ cung cấp? Ba lực mà chúng ta hiểu trên thang đo hạ nguyên tử (mạnh, yếu và điện từ) có thể được hiểu là một phần của một lực thống nhất. Trong khi Mô hình Chuẩn nói rằng các lực trở nên giống nhau ở năng lượng rất cao, siêu đối xứng sẽ dự đoán rằng ba lực hợp nhất ở một năng lượng duy nhất [nguồn: Fermilab ]. Bây giờ, điều này không cần thiết phải có "ý nghĩa", nhưng - như chúng tôi đã nói - các nhà vật lý thích các giải pháp tự nhiên, thanh lịch. Siêu đối xứng sẽ chỉ tạo ra loại giải pháp mà các nhà vật lý khao khát khi nói đến câu hỏi hợp nhất các lực.

Tuy nhiên, một lần nữa, chúng ta phải được nhắc nhở rằng tất cả những điều này là vô ích nếu chúng ta không tìm thấy những đối tác siêu đẳng đó. Nếu chúng ta không thể tìm thấy chúng, chúng ta không có bất kỳ lời giải thích nào cho khối lượng hạt boson Higgs, vật chất tối hay sự hợp nhất của các lực. Nhưng chúng ta đang gọi thời điểm chết là siêu đối xứng trước khi chúng ta cho nó cơ hội chiến đấu.

Bởi vì hy vọng có thể đang đến, dưới dạng một vụ nổ proton lớn. Đúng vậy, hy vọng của chúng ta vẫn nằm ở Máy va chạm Hadron Lớn, máy gia tốc hạt chịu trách nhiệm tìm kiếm bằng chứng về hạt Higgs vào năm 2012. Trong khi việc tìm ra hạt Higgs chắc chắn là một vấn đề lớn đối với những người ủng hộ siêu đối xứng - và các nhà vật lý nói chung - những gì họ thực sự hy vọng là tìm thấy một loạt các hạt. Cụ thể hơn, một loạt các siêu đối xứng khó nắm bắt sẽ giúp chúng ta hiểu rằng siêu đối xứng là thực tế.

Không quá lời khi nói rằng việc chỉ tìm thấy hạt Higgs (chứ không phải bất kỳ siêu đối tác nào khác) tại LHC đã gây ra một chút khủng hoảng trong thế giới vật lý. Rốt cuộc, để khối lượng Higgs có ý nghĩa, các siêu đối tác nên được tìm thấy ở gần cùng một vị trí [nguồn: Wolchover ]. LHC được thiết lập để hoạt động trở lại vào năm 2015, đâm các proton ở năng lượng thậm chí còn cao hơn để hy vọng tìm thấy các siêu đối tác ở khối lượng cao hơn. Thật không may, điều đó không hoàn toàn giải quyết được vấn đề: Ngay cả khi họ tìm thấy những chất siêu nặng khối lượng lớn, thì những tác động rất tiện lợi của siêu đối xứng - rằng nó sẽ hủy bỏ khối lượng siêu nặng của hạt Higgs - cũng sẽ không hoạt động. [nguồn: Wolchover ]. Vì vậy, một lần nữa, chúng tôi lại bị mắc kẹt trong một con đường siêu đối xứng.

Nhưng như mọi người đã lưu ý, siêu đối xứng là một nguyên tắc, không phải là một lý thuyết. Trong một số tình huống siêu đối xứng, Máy va chạm Hadron Lớn không thể phát hiện ra các siêu đối xứng, do hạn chế của các thí nghiệm và chúng không có khả năng phát hiện các hạt kém ổn định hơn [nguồn: Wolchover ]. Vì vậy, trong khi siêu đối xứng có lẽ cần phải chạy hổn hển vào phòng khá nhanh với một lý do khá tốt cho việc đến muộn, nhưng vẫn chưa đến lúc đóng cửa.

Lưu ý của tác giả: Siêu đối xứng là gì?

Những siêu đối tác MIA này thực sự bắt đầu khiến một số nhà vật lý phải kinh ngạc. Sẽ là một vấn đề thực sự lớn nếu chúng ta chưa bao giờ nhìn thấy chúng, bởi vì vật lý hạt rất cần những lý thuyết có thể kiểm chứng được. Không có siêu đối tác nào - hoặc ít nhất, không có cách nào để xác minh chúng trong vũ trụ của chúng ta - chúng ta sẽ phải tìm ra một số giải pháp có thể thử nghiệm khác cho một số lỗ của Mô hình Chuẩn.

Những bài viết liên quan