Olen maininnut supersymmetriasta pimeästä aineesta ja fysiikan estetiikasta kirjoittaessani. Nyt on ajankohtaista kertoa aiheesta enemmän, supersymmetria kun on LHC:n odotetuimpia tutkimuskohteita.

Haluaisin aloittaa selvittämällä symmetrian käsitettä fysiikassa, mutta taidankin mennä suoraan asiaan. Hiukkasfysiikan Standardimalli on onnistunut ennustamaan oikein kaiken, mitä hiukkaskiihdyttimissä on mitattu vuosikymmenien ajan. Tiedetään kuitenkin, että Standardimalli ei toimi mielivaltaisen suurilla energioilla, joten jossain vaiheessa jotain uutta löytyy. Ei ole varmuutta siitä, kuinka korkealle pitää mennä, ennen kuin raja tulee vastaan, mutta yleisesti odotetaan, että Standardimalli lakkaa pätemästä LHC:n luotaamilla energioilla.

On lukuisia erilaisia ideoita, malleja ja teorioita siitä, mitä Standardimallin tuolta puolen löytyy, ja supersymmetria on yksi suosituimpia. Supersymmetrian selittämiseksi pitää ensin kertoa, että on olemassa kahdenlaisia hiukkasia: bosoneja ja fermioneja. Kaksi samanlaista fermionia, vaikkapa kaksi elektronia, ei voi olla samassa tilassa, kun taas bosoneita voi pinota miten paljon vain. Tämän ominaisuuden takia aine rakentuu fermioneista, bosonit menisivät vain lomittain. Bosonien pääasiallinen rooli on välittää viestejä ainehiukkasten välillä, eli ne ovat vastuussa vuorovaikutuksista.

Supersymmetrian idea on se, että jokaisella havaitulla ainehiukkasella on supersymmetrinen partneri, jolla on sama sähkövaraus, massa ja muut ominaisuudet, mutta joka onkin bosoni jos hiukkanen oli fermioni, ja toisin päin. Fermionien superpartnereiden nimen eteen on tapana laittaa kirjain s, kenties vitsinä englannin kielen sanaparista he-she, esimerkiksi elektronia vastaa selektroni. Bosonien partnereiden nimen loppuun laitetaan pääte -ino, niinpä esimerkiksi W-bosonia vastaa wino - nimi, jonka hyväksytyksi saaminen tieteellisissä julkaisuissa ei ollut aivan helppoa.

Suoraviivainen tapa soveltaa supersymmetriaa on ottaa Standardimalli ja lisätä superpartnerit. Massojen saamiseksi kaikille hiukkasille pitää vielä kaataa mukaan neljä Higgsin hiukkasta. Jos tämä teoria toteutuisi sellaisenaan luonnossa, niin ainakin selektroni olisi löydetty jo kauan sitten: elektronin kaltaisen sähköisesti varatun stabiilin hiukkasen löytäminen ei totisesti ole vaikeaa. Hätä ei kuitenkaan ole tämän näköinen: ehkä supersymmetria toteutuu korkeilla energioilla, mutta on rikki niillä alueilla, joilla on toistaiseksi kiihdyttimissä liikuttu. Tässä ei ole mitään kummallista: onhan Standardimallissa symmetria sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen välillä rikkoutunut alhaisilla energioilla Higgsin takia. Kun lisätään superpartnereiden ja uusien Higgsin hiukkasten lisäksi supersymmetrian rikkoutuminen, saadaan pienen teoreettisen säätämisen jälkeen (kollegoille tiedoksi, että puhun R-pariteetista) Minimaalinen Supersymmetrinen Standardimalli, MSSM.

Kun supersymmetria on rikki, superpartnereiden ominaisuudet ovat muuten samat kuin tavallisten hiukkasten, massat vain ovat isompia. Tämä selittää sen, miksi niitä ei olisi havaittu: raskaampia hiukkasia on vaikea tuottaa kiihdyttimissä, ja ne myös hajoavat hyvin nopeasti, eivätkä jää ympäriinsä havaittaviksi. Massojen ero on sitä isompi, mitä korkeammalla energialla symmetria rikkoutuu.

Toisin kuin sähköheikon symmetrian tapauksessa, supersymmetrian rikkoutusmismekanismista ei ole varmuutta. Yleisesti kuitenkin ajatellaan, että rikkoutumisen skaala on samaa luokkaa kuin Higgsin kentän massa, joten superpartnerit näkyisivät LHC:ssä. (Moni fyysikko itseasiassa sanoisi, että Higgsin hiukkasen alhainen massa vaatii supersymmetriaa selityksekseen, mikä on mielestäni hieman liioiteltua - tästä kenties toiste lisää.) Mikäli LHC ei näe merkkiäkään supersymmetriasta, niin ideaa ei voi vielä kuopata -rikkoutumisskaala saattaa vain olla LHC:n tavoittamattomissa- mutta silloin MSSM kyllä näyttää rumalta. Teoriaa kun pitää säätää kohdasta jos toisestakin, jotta sen saisi LHC:ltä piiloon.

Jos on tosin aivan rehellinen, niin täytyy sanoa, että MSSM:n suhteen ollaan jo nyt aika huonossa jamassa. Yleisesti odotettiin, että supersymmetria näyttäytyisi joko Fermilabin Tevatron-kiihdyttimessä tai CERNin LEP-kiihdyttimessä, jota varten rakennetussa tunnelissa LHC nyt työskentelee. Esimerkiksi yksi MSSM:n hyviä puolia on se, että baryogenesis, joka ei toimi Standardimallissa, voisi toimia MSSM:ssä. Jos näin kuitenkin olisi, niin MSSM:n olisi odottanut löytyvän jo LEPissä, nyt tilanne näyttää baryogenesiksen suhteen aika epätoivoiselta. Samaan tapaan MSSM:ssä on luonnollinen pimeän aineen kandidaatti neutraliino, joka on fotonin, Higgs-bosonin ja Z-bosonin superpartnereiden yhdistelmä. Pimeää ainetta on kuitenkin etsitty jo pitkään, ja on kummaa, että neutraliinoista ei ole kuulunut mitään.

Kaikkiaan voi sanoa, että supersymmetrialla on ollut monia tilaisuuksia näyttäytyä, mutta se ei ole käyttänyt niistä ainuttakaan. Se mahdollisuus, että supersymmetria saattaa olla aivan kulman takana tekee LHC:stä kutkuttavan. Jotkut ovat asiasta jopa täysin varmoja, ja jos supersymmetriaa ei löydy, niin monelta menee pakka sekaisin. Mutta on lukuisia muitakin teorioita tuntemattomasta maasta Standardimallin tuolta puolen. Pian tiedämme, onko mikään niistä tosi.

Kommentit (9)

su

Standardimalli lakkaa pätemästä LHC:n luotaamilla energioilla an so on, Thanks. Pian tied'mme..?

Vesa

Kiitos todella mielenkiintoisesta kirjoituksesta.
Onko olemassa yksinkertaista selitystä bosonin ja fermionin erolle? Jos hiukkasilla on muuten täysin samat ominaisuudet, niin mistä johtuu että bosonit lomittuvat ja fermionit eivät?

Syksy Räsänen

Bosonien ja fermionien ero on puhtaasti kvanttimekaaninen ominaisuus, jolla ei ole vastinetta klassisessa fysiikassa. En osaa selittaa sita mitenkaan yksinkertaisesti.

Kvanttimekaniikassa kaksi hiukkasta, joilla on samat kvanttiluvut (sahkovaraus, massa jne.), vaikkapa kaksi elektronia, ovat identtisia, eli niita ei voi periaatteessakaan erottaa toisistaan. Teorian pitaa siis sailya samanlaisena sen suhteen, etta vaihtaa kahden identtisen hiukkasen paikkaa. Tama voi toteutua siten, etta teoria on symmetrinen hiukkasvaihdossa (mikaan ei muutu) tai antisymmetrinen (tiettyihin suureisiin tulee miinusmerkki). Nama mahdollisuudet vastaavat bosoneita ja fermioneita.

Petri M., Vantaa

Voiko bosonien lomittumista ajatella siten, että niillä on fermioneja enemmän mutta rajallisesti vapausasteita, vai onko lomittuminen teoriassakin rajatonta? Voiko lomittumista kuvata analogialla johonkin symmetriaominaisuuteen, esim. kiertoon? Jos tällainen "kierto" olisikin lomittumisen selittävänä hypoteettisena työkaluna mahdollinen, sitä ei voisi kai mistään mitata, jos bosonit näyttäytyvät meille keskenään identtisinä?

Entä miten bosonien välittäjähiukkasluonnetta pitäisi tulkita? Kun teoriapuolella puhutaan vaikkapa 10 dimensiosta, tarkoittaako välittäjähiukkasominaisuus sitä, että bosonit mahdollisesti kuljettavat vuorovaikutusta myös näiden meille näkymättömien dimensioiden poikki? Onko fermionit puolestaan jotenkin bosoneja vahvemmin "ankkuroitu" meille tutumpiin dimensioihin?

Syksy Räsänen

Se, että bosoneita voi olla samassa tilassa rajaton määrä, ei johdu vapausasteiden määrän erosta fermioneihin verrattuna. Tämä ominaisuus liittyy symmetriaan hiukkasten vaihtamisessa toisikseen. Tämä vaihtosymmetria vaikuttaa systeemin mitattaviin tilastollisiin ominaisuuksiin.

Malleissa, joissa on ylimääräisia ulottuvuuksia, sekä bosoni- että fermionikentät voivat levitä niihin. Miten tämä tapahtuu ja mitä eroja on bosonien ja fermionien välillä riippuu ylimääräisten ulottuvuuksien mallin yksityiskohdista.

Sika

Ovatko bosonit samanaikaisesti useassa eri ulottuvuudessa vai "käväisevätkö" ne vain niissä vuorollaan? Onko bosoni hiukkanen vai ns. vuorovaikutuskenttä, jossa fermioni(t) sijaitsee? Vastaako bosoni säieteorian säikeen värinää?

Syksy Räsänen

Standardimallissa ei ole sen enempää ylimääräisiä ulottuvuuksia kuin säikeitäkään. Bosonihiukkaset ovat bosonikenttien värähtelyitä, fermionihiukkaset fermionikenttien.

Pride

Onko interferenssivaikutusta tutkittu minkä verran bosoni- ja fermionikentissä?

Syksy Räsänen

Pride:

Kaikki hiukkaset ovat bosoneja tai fermioneja, joten aika lailla.

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto