Un bosone di Higgs decade in questa collisione registrata dal rivelatore ATLAS il 18 maggio 2012.
(Immagine: © ATLAS)
Paul M. Sutter è un astrofisico al SUNY Stony Brook e al Flatiron Institute, ospite Chiedi a un astronauta e Space Radioe autore di "Il tuo posto nell'universo."Sutter ha contribuito a questo articolo Voci degli esperti di Space.com: Op-Ed & Insights.
Le simmetrie nella natura alimentano la nostra comprensione fondamentale del cosmo, dall'universalità della gravità all'unificazione del forze della natura ad alte energie.
Negli anni '70, i fisici hanno scoperto una potenziale simmetria che univa tutti i tipi di particelle nel nostro universo, dagli elettroni ai fotoni e tutto il resto. Questa connessione, nota come supersimmetria, si basa sulla strana proprietà quantistica dello spin e potenzialmente detiene la chiave per sbloccare una nuova comprensione della fisica.
Le simmetrie sono potere
Per secoli, le simmetrie hanno permesso ai fisici di trovare connessioni sottostanti e relazioni fondamentali in tutto l'universo. quando Isaac Newton per prima cosa ha fatto clic sull'idea che la gravità che estrae una mela da un albero è esattamente la stessa forza che mantiene la luna in orbita attorno al sole, ha scoperto una simmetria: le leggi della gravità sono veramente universali. Questa intuizione gli ha permesso di fare un salto enorme nella comprensione di come funziona la natura.
Durante tutto il 1800, i fisici di tutto il mondo si sono scervellati delle strane proprietà dell'elettricità, del magnetismo e delle radiazioni. Cosa ha causato il flusso di corrente elettrica lungo un filo? Come può un magnete rotante spingere la stessa corrente? La luce era un'onda o una particella? Decenni di difficili riflessioni sono culminati in una netta scoperta matematica di James Clerk Maxwell, che unificò tutti questi distinti rami di indagine sotto un unico insieme di semplici equazioni: elettromagnetismo.
Albert Einstein ha lasciato il segno anche portando le intuizioni di Newton un ulteriore passo avanti. Considerando come massimo che tutte le leggi fisiche dovrebbero essere le stesse indipendentemente dalla posizione o dalla velocità, ha rivelato relatività speciale; le nozioni di tempo e spazio dovevano essere riscritte per preservare questa simmetria della natura. E l'aggiunta di gravità a quel mix lo ha portato a relatività generale, la nostra moderna comprensione di quella forza.
Anche le nostre leggi sulla conservazione - la conservazione dell'energia, la conservazione della quantità di moto e così via - dipendono dalla simmetria. Il fatto che tu possa eseguire un esperimento giorno dopo giorno e ottenere lo stesso risultato rivela una simmetria nel tempo, che attraverso il genio matematico di Emmy Noether porta alla legge della conversazione di energia. E se raccogli l'esperimento e lo sposti attraverso la stanza e ottieni ancora lo stesso risultato, hai appena scoperto una simmetria attraverso lo spazio e la corrispondente conservazione dello slancio.
Uno specchio rotante
Nel mondo macroscopico, questo riassume quasi tutte le simmetrie che abbiamo incontrato in natura. Ma il mondo subatomico è una storia diversa. Le particelle fondamentali di il nostro universo hanno una proprietà interessante nota come "spin". È stato scoperto per la prima volta in esperimenti che hanno sparato atomi attraverso un campo magnetico vario, facendo deviare i loro percorsi esattamente come farebbe una sfera di metallo rotante, caricata elettricamente.
Ma le particelle subatomiche non ruotano, sfere metalliche cariche elettricamente; si comportano come loro in certi esperimenti. E a differenza dei loro analoghi del mondo normale, le particelle subatomiche non possono avere la quantità di rotazione che desiderano. Invece, ogni tipo di particella ottiene la sua unica quantità di rotazione.
Per varie oscure ragioni matematiche, alcune particelle come l'elettrone ottengono una rotazione di ½, mentre altre particelle come il fotone ottengono una rotazione di 1. Se ti stai chiedendo come un fotone possa comportarsi come una sfera di metallo carica, allora non sudare troppo; sei libero di pensare semplicemente allo "spin" come ad un'altra proprietà delle particelle subatomiche di cui dobbiamo tenere traccia, come la loro massa e carica. E alcune particelle hanno più di questa proprietà e altre ne hanno di meno.
In generale, ci sono due grandi "famiglie" di particelle: quelle con rotazione a mezzo intero (1/2, 3/2, 5/2, ecc.) E quelle con numero intero (0, 1, 2, ecc. .) rotazione. Le mezzosie sono chiamate "fermioni" e sono costituite dai mattoni del nostro mondo: elettroni, quark, neutrini e così via. I wholsies sono chiamati "bosoni" e sono portatori delle forze della natura: fotoni, gluoni e il resto.
A prima vista, queste due famiglie di particelle non potrebbero essere affatto diverse.
Sinfonia di sparticelle
Negli anni '70, teorici delle stringhe cominciò a guardare criticamente questa proprietà dello spin e cominciò a chiedersi se lì potesse esserci una simmetria della natura. L'idea si espanse rapidamente al di fuori della comunità delle stringhe e divenne un'area attiva di ricerca sulla fisica delle particelle. Se fosse vero, questa "supersimmetria" unirebbe queste due famiglie apparentemente disparate di particelle. Ma come sarebbe questa supersimmetria?
L'essenza di base è che, nella supersimmetria, ogni fermione avrebbe una "particella superpartner" (o "sparticella" in breve - e i nomi peggioreranno solo) nel mondo bosone, e viceversa, con la stessa identica massa e caricare ma una rotazione diversa.
Ma se andiamo a cercare le sparticelle, non ne troviamo nessuna. Ad esempio, la sparticella dell'elettrone (il "selettrone") dovrebbe avere la stessa massa e carica dell'elettrone, ma una rotazione di 1.
Quella particella non esiste.
Quindi, in qualche modo, questa simmetria deve essere rotta nel nostro universo, spingendo le masse delle sparticelle fuori dalla portata dei nostri collettori di particelle. Esistono molti modi diversi per raggiungere la supersimmetria, tutti prevedendo diverse masse per i selettroni, i quark di stop, gli sneutrini e tutti gli altri.
Fino ad oggi, non è stata trovata alcuna prova di supersimmetria ed esperimenti presso il Large Hadron Collider hanno escluso i modelli supersimmetrici più semplici. Sebbene non sia proprio l'ultimo chiodo nella bara, i teorici si grattano la testa, chiedendosi se la supersimmetria non si trova davvero in natura e cosa dovremmo pensare dopo se non riusciamo a trovare nulla.
- L'universo: Big Bang fino ad ora in 10 semplici passaggi
- I teorici di "Supergravity" vincono $ 3 milioni di premi per la fisica
- Particelle misteriose che schizzano dall'Antartide sfidano la fisica
Scopri di più ascoltando l'episodio "Ne vale la pena la teoria delle stringhe? (Parte 4: Ciò di cui abbiamo bisogno è un supereroe)" sul podcast Ask A Spaceman, disponibile su iTunese sul Web all'indirizzo http://www.askaspaceman.com. Grazie a John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. per le domande che hanno portato a questo pezzo! Poni la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter. Seguici su Twitter @Spacedotcom o Facebook.
