Gigantyczna symetria szansą na nową fizykę – i nowe cząstki

Symetrie rządzące światem cząstek elementarnych na najbardziej fundamentalnym poziomie są być może radykalnie inne od dotychczas przewidywanych. Ten zaskakujący wniosek płynie z modelu przedstawionego przez teoretyków z Warszawy i Poczdamu. Zaprezentowany schemat łączy wszystkie oddziaływania przyrody w sposób zgodny z dotychczasowymi obserwacjami i przewiduje istnienie nowych cząstek o niezwykłych własnościach, być może obecnych nawet w naszym bezpośrednim otoczeniu.

Od pół wieku fizycy próbują skonstruować teorię łączącą fundamentalne siły przyrody, opisującą znane cząstki elementarne i przewidującą istnienie nowych. Próby te na razie nie znajdują potwierdzenia eksperymentalnego, a Model Standardowy – stara i z pewnością niepełna, lecz zaskakująco skuteczna konstrukcja teoretyczna – jest od lat z powodzeniem używany do opisu świata kwantów. Na łamach czasopisma „Physical Review Letters” profesorowie Krzysztof Meissner z Instytutu Fizyki Teoretycznej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) oraz Hermann Nicolai z Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik w Poczdamie przedstawili nowy model uogólniający Model Standardowy i włączający do opisu grawitację. Usunięcie wad wcześniejszych prób stało się możliwe dopiero po użyciu symetrii dotychczas niestosowanej przy opisie cząstek elementarnych.

Symetrie w fizyce są rozumiane nieco inaczej niż w potocznym ujęciu. Czy upuścimy piłkę z tego samego miejsca teraz, czy za minutę, spadnie tak samo. To przejaw pewnej symetrii: prawa fizyki pozostają niezmienione względem przesunięć w czasie. Podobnie, możemy piłkę upuścić raz stojąc twarzą na południe, a raz na zachód, albo zrzucić z tej samej wysokości raz w jednym miejscu, a raz w drugim. Piłki spadną tak samo, co oznacza, że prawa fizyki są symetryczne także z uwagi na operacje (odpowiednio) obrotów i przesunięć w przestrzeni.

„W fizyce symetrie odgrywają ogromną rolę, ponieważ są z nimi związane zasady zachowania. Na przykład zasada zachowania energii wiąże się z symetrią praw fizyki względem przesunięcia w czasie, zasada zachowania pędu – względem translacji, zasada zachowania momentu pędu – względem obrotów”, wyjaśnia prof. dr hab. Krzysztof Meissner.

W latach 70. ubiegłego wieku rozpoczęto prace nad skonstruowaniem teorii supersymetrycznej, mającej opisywać symetrie między fermionami a bozonami. Fermiony to cząstki elementarne, których spin, czyli cecha kwantowa związana z obrotem, jest wyrażony nieparzystą krotnością ułamka 1/2. Fermionami są m.in. kwarki oraz leptony, czyli elektrony, miony, taony oraz stowarzyszone z nimi neutrina (a także ich antycząstki). Protony i neutrony, tak powszechne w naszym świecie cząstki złożone, także należą do fermionów. Z kolei bozony to cząstki o spinie całkowitym. Znajdziemy wśród nich cząstki odpowiedzialne za oddziaływania (fotony przenoszące oddziaływania elektromagnetyczne, gluony – oddziaływania silne, bozony W i Z – oddziaływania słabe) oraz bozon Higgsa.

„Pierwsze teorie supersymetryczne próbowały łączyć oddziaływania typowe dla cząstek elementarnych, a więc elektromagnetyczne o symetrii znanej jako U(1), słabe o symetrii SU(2) i silne o symetrii SU(3). Brakowało wśród nich grawitacji”, mówi prof. Meissner i precyzuje: „Odpowiedniość (symetria) między bozonami i fermionami była tu globalna, a więc taka sama w każdym punkcie przestrzeni. Wkrótce potem powstały teorie, gdzie symetria była lokalna, czyli w każdym punkcie przestrzeni mogła być realizowana inaczej. W celu zagwarantowania takiej symetrii do teorii tych trzeba było dołączyć grawitację. Teorie te nazwano supergrawitacjami”.

Szybko zauważono, że w teoriach supergrawitacji w czterech wymiarach czasoprzestrzennych nie może być więcej niż osiem różnych obrotów supersymetrycznych. Każda z tych teorii ma ściśle określony zestaw pól (stopni swobody) o różnych spinach (0, 1/2, 1, 3/2 i 2), nazywanych odpowiednio polami skalarów, fermionów, bozonów cechowania, grawitin i grawitonu. Dla supergrawitacji N=8, czyli o maksymalnej liczbie obrotów, fermionów (o spinie ½) jest 48, dokładnie tyle, ile stopni swobody dla sześciu rodzajów kwarków i sześciu rodzajów leptonów obserwowanych w przyrodzie! Wszystko więc wskazywało, że supergrawitacja N=8 jest pod wieloma względami wyjątkowa. Nie była jednak idealna.

Jednym z problemów powiązania supergrawitacji N=8 z Modelem Standardowym były ładunki elektryczne kwarków i leptonów. Wszystkie ładunki były przesunięte o 1/6 w stosunku do obserwowanych w przyrodzie: elektron miał ładunek -5/6 zamiast -1, neutrino 1/6 zamiast 0 itd. Problem ten, zauważony ponad 30 lat temu przez samego Murraya Gell-Manna, udało się rozwiązać dopiero w 2015 roku. Profesorowie Meissner i Nicolai zaprezentowali wtedy odpowiedni mechanizm modyfikowania symetrii U(1).

„Po wprowadzeniu poprawek otrzymaliśmy strukturę mającą symetrie U(1) i SU(3), znane z Modelu Standardowego. Podejście to jest bardzo odmienne od innych prób uogólnienia obecnej teorii cząstek elementarnych. Motywacją był tu fakt, że akcelerator LHC nie odkrył żadnych nowych cząstek spoza Modelu Standardowego, a skład fermionów o spinie ½ w supergrawitacji N=8 może ten fakt wyjaśniać. W teorii brakowało jednak grupy SU(2), odpowiedzialnej za oddziaływania słabe. W najnowszej publikacji opisaliśmy, jak można ją dołączyć. Zaproponowany mechanizm może tłumaczyć, dlaczego wcześniejsze próby detekcji nowych cząstek, motywowane teoriami, które traktowały symetrię SU(2) jako spontanicznie złamaną dla niskich energii, lecz poprawną w obszarze wysokich energii, musiały zakończyć się niepowodzeniem. Według nas SU(2) to tylko przybliżenie tak dla niskich, jak i dla wysokich energii!”, mówi prof. Meissner.

Zarówno mechanizm uzgadniający ładunki elektryczne cząstek, jak i poprawka włączająca oddziaływania słabe, okazują się należeć do reprezentacji grupy symetrii znanej jako E10. W przeciwieństwie do grup do tej pory używanych w teoriach unifikacji, E10 jest grupą nieskończoną, bardzo słabo poznaną nawet od strony czysto matematycznej. Prof. Nicolai wraz z Thibaultem Damourem i Markiem Henneauxem zajmowali się tą grupą już wcześniej, ponieważ pojawiła się jako symetria w supergrawitacji N=8 w warunkach odpowiednich dla pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu, a więc wtedy, gdy istotny był tylko jeden wymiar: czasowy.

„Po raz pierwszy mamy model, który dokładnie przewiduje skład fermionów Modelu Standardowego – kwarków i leptonów, na dodatek o właściwych ładunkach! – a jednocześnie włącza do opisu grawitację. Ogromnym zaskoczeniem jest fakt, że właściwą symetrią jest przytłaczająco gigantyczna, matematycznie praktycznie niezbadana grupa E10. Jeśli dalsze prace potwierdzą rolę tej grupy, będzie to radykalna zmiana w naszej wiedzy o symetriach przyrody”, podsumowuje prof. Meissner.

Chociaż dynamika nie jest jeszcze znana, model zaproponowany przez profesorów Meissnera i Nicolai ma konkretne przewidywania. Liczba fermionów o spinie ½ jest tu taka jak w Modelu Standardowym, ale sugeruje on istnienie nowych cząstek o niezwykłych własnościach. Co istotne, przynajmniej niektóre z nich mogłyby być obecne nawet w naszym otoczeniu, a ich detekcja powinna leżeć w granicach możliwości współczesnej aparatury pomiarowej. To jednak temat na odrębną opowieść.

PUBLIKACJE NAUKOWE:

KONTAKTY:

POWIĄZANE STRONY WWW: