التناظر الفائق رائع للغاية. إليك ما يعنيه لفيزياء الجسيمات.

يتحلل بوزون هيجز في هذا التصادم الذي سجله كاشف ATLAS في 18 مايو 2012.

(الصورة: © ATLAS)

بول م. سوتر عالم فيزياء فلكية في جامعة ولاية نيويورك ستوني بروك ومعهد فلاتيرون ، المضيف اسأل رائد فضاء و راديو الفضاء، ومؤلف كتاب "مكانك في الكون.ساهم سوتر في هذا المقال أصوات خبراء Space.com: Op-Ed & Insights. 

إن التماثلات في الطبيعة تعزز فهمنا الأساسي للكون ، من عالمية الجاذبية إلى توحيد قوى الطبيعة في الطاقات العالية.

كشف علماء الفيزياء في السبعينيات عن تناظر محتمل يوحد جميع أنواع الجسيمات في كوننا ، من الإلكترونات إلى الفوتونات وكل شيء بينهما. هذا الاتصال المعروف باسم التناظر الفائق، يعتمد على خاصية الكم الغريبة للدوران ، وربما يحتفظ بمفتاح لفتح فهم جديد للفيزياء.

التماثلات قوة

لعدة قرون ، سمحت التماثلات للفيزيائيين بالعثور على الروابط الأساسية والعلاقات الأساسية في جميع أنحاء الكون. متى إسحاق نيوتن نقر أولاً على فكرة أن الجاذبية التي تسحب تفاحة من شجرة هي نفس القوة التي تبقي القمر في مدار حول الشمس ، اكتشف تناظرًا: قوانين الجاذبية عالمية حقًا. سمحت له هذه البصيرة بإحداث قفزة هائلة في فهم كيفية عمل الطبيعة.

طوال القرن التاسع عشر ، حير الفيزيائيون حول العالم حول الخصائص الغريبة للكهرباء والمغناطيسية والإشعاع. ما الذي تسبب في تدفق التيار الكهربائي لأسفل السلك؟ كيف يمكن لمغزل الغزل دفع نفس التيار حولها؟ هل كان الضوء موجة أم جسيم؟ عقود من التأمل الصعب بلغت ذروتها في اختراق رياضي نظيف من قبل جيمس كلارك ماكسويل ، الذي وحد جميع هذه الفروع المتميزة للتحقيق تحت مجموعة واحدة من المعادلات البسيطة: الكهرومغناطيسية.

البرت اينشتاين ترك بصمته أيضًا من خلال أخذ رؤى نيوتن خطوة أخرى إلى الأمام. وكشف أنه يجب أن تكون جميع القوانين الفيزيائية متشابهة بغض النظر عن وضعك أو سرعتك النسبية الخاصة؛ يجب إعادة كتابة مفاهيم الزمان والمكان للحفاظ على هذا التناظر في الطبيعة. وإضافة الجاذبية لهذا المزيج قادته إلى ذلك النسبية العامة، فهمنا الحديث لتلك القوة.

حتى قوانين المحافظة لدينا - الحفاظ على الطاقة ، الحفاظ على الزخم وما إلى ذلك - تعتمد على التناظر. تكشف حقيقة أنه يمكنك إجراء تجربة يومًا بعد يوم والحصول على نفس النتيجة عن تناسق عبر الزمن ، والذي من خلال العبقرية الرياضية إيمي نويثر يؤدي إلى قانون محادثة الطاقة. وإذا التقطت تجربتك وحركتها عبر الغرفة وما زلت تحصل على نفس النتيجة ، فقد اكتشفت للتو تناظرًا عبر الفضاء ، والحفاظ على الزخم المقابل.

مرآة دوارة

في العالم الماكروسكوبي ، هذا يلخص كل التماثلات التي واجهناها في الطبيعة. لكن العالم دون الذري قصة مختلفة. الجسيمات الأساسية لل كوننا لديها خاصية مثيرة للاهتمام تعرف باسم "تدور". تم اكتشافه لأول مرة في التجارب التي أطلقت الذرات من خلال مجال مغناطيسي متنوع ، مما تسبب في انحراف مساراتها بنفس الطريقة تمامًا مثل الكرة المعدنية الدوارة المشحونة كهربائيًا.

لكن الجسيمات دون الذرية لا تدور كرات معدنية مشحونة كهربائيًا. يتصرفون مثلهم في تجارب معينة. وعلى عكس نظائرها في العالم العادي ، لا يمكن أن يكون للجسيمات دون الذرية أي مقدار من الدوران الذي تتمناه. بدلاً من ذلك ، يحصل كل نوع من الجسيمات على كمية فريدة من الدوران.

لأسباب رياضية غامضة مختلفة ، تحصل بعض الجسيمات مثل الإلكترون على دوران ½ ، بينما تحصل جسيمات أخرى مثل الفوتون على دوران 1. إذا كنت تتساءل كيف يمكن للفوتون أن يتصرف مثل كرة معدنية مشحونة دوارة ، ثم لا تتعرق كثيرا. أنت حر في التفكير في "الدوران" كخاصية أخرى للجسيمات دون الذرية التي يجب أن نتتبعها ، مثل كتلتها وشحنها. وبعض الجسيمات لديها المزيد من هذه الخاصية ، والبعض الآخر أقل.

بشكل عام ، هناك "عائلتان" عظيمتان من الجسيمات: تلك التي تدور نصف عدد صحيح (1/2 ، 3/2 ، 5/2 ، وما إلى ذلك) ، وتلك التي تحتوي على عدد صحيح كامل (0 ، 1 ، 2 ، إلخ. .) غزل. يُطلق على النصفين من القرن الماضي اسم "الفرميونات" ويتكونان من لبنات بناء عالمنا: الإلكترونات والكواركات والنيوترينو وما إلى ذلك. ويطلق على الشمليات "بوزونات" وهي حامل لقوى الطبيعة: الفوتونات ، gluons ، والباقي.

للوهلة الأولى ، لا يمكن أن تكون هاتان العائلتان من الجسيمات مختلفة.

سيمفونية الجسيمات

في 1970s، سلسلة المنظرين بدأ ينظر بشكل نقدي إلى خاصية الدوران هذه وبدأ يتساءل عما إذا كان هناك تناظر في الطبيعة هناك. توسعت الفكرة بسرعة خارج مجتمع الأوتار وأصبحت مجالًا نشطًا للبحث عبر فيزياء الجسيمات. إذا كان هذا صحيحًا ، فإن هذا "التناظر الفائق" سيوحد هاتين العائلتين المتباينة من الجسيمات. ولكن كيف سيبدو هذا التناظر الفائق؟

الجوهر الأساسي هو أنه ، في التناظر الفائق ، سيكون لكل فيرميون "جسيم فائق" (أو "sparticle" باختصار - وستزداد الأسماء سوءًا) في عالم البوزون ، والعكس بالعكس ، بنفس الكتلة بالضبط والشحن ولكن تدور مختلفة.

ولكن إذا بحثنا عن الجسيمات ، فلن نجد أي منها. على سبيل المثال ، يجب أن يكون للفصيلة الإلكترونية للإلكترون ("الإلكترون") نفس الكتلة والشحنة للإلكترون ، ولكن تدور 1.

هذا الجسيم غير موجود.

لذا ، بطريقة ما ، يجب كسر هذا التناظر في كوننا ، مما يؤدي إلى رفع كتل الجسيمات خارج نطاق مصادمات الجسيمات لدينا. هناك العديد من الطرق المختلفة لتحقيق التناظر الفائق ، وكلها تتنبأ بكتل مختلفة للمُحددات ، و كواركات التوقف ، و السنيوترينو ، و الجميع.

حتى الآن ، لم يتم العثور على أي دليل على التناظر الفائق ، والتجارب في مصادم هادرون كبير لقد استبعدت أبسط نماذج التناظر الفائق. على الرغم من أن هذا ليس المسمار الأخير في التابوت ، إلا أن المنظرين يخدشون رؤوسهم ، ويتساءلون عما إذا كان التناظر الفائق غير موجود بالفعل في الطبيعة ، وماذا يجب أن نفكر في التالي إذا لم نتمكن من العثور على أي شيء.

• الكون: الانفجار الكبير حتى الآن في 10 خطوات سهلة
• الفائزون بمنظور "الجاذبية الفائقة" يفوزون بجائزة الفيزياء الاختراق بقيمة 3 ملايين دولار
• الجسيمات الغامضة التي تتدفق من القارة القطبية الجنوبية تتحدى الفيزياء

تعرف على المزيد من خلال الاستماع إلى الحلقة "هل نظرية الأوتار تستحق ذلك؟ (الجزء 4: ما نحتاجه هو بطل خارق)" على بودكاست Ask A Spaceman ، متاح على اي تيونز، وعلى الويب في http://www.askaspaceman.com. بفضل 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. للأسئلة التي أدت إلى هذه القطعة! اطرح سؤالك على Twitter باستخدام #AskASpaceman ، أو باتباع Paul PaulMattSutter و facebook.com/PaulMattSutter. تابعنا على تويتر Spacedotcom أو موقع التواصل الاجتماعي الفيسبوك.