Η θεωρία της υπερσυμμετρίας ή Susy

Από τι αποτελείται ο κόσμος μας; Αυτή η ιστορική ερώτηση αποτελεί ακόμα το αντικείμενο μιας έντονης συζήτησης στους κύκλους της φυσικής σωματιδίων. Οι παρατηρησιακοί αστροφυσικοί έχουν δείξει ότι ο Κόσμος είχε μια αρχή πριν, περίπου, 13.7 δισεκατομμύρια έτη με ένα κατακλυσμιαίο ξέσπασμα  στοιχειωδών σωματιδίων. Δεν υπάρχει στην πραγματικότητα κανένα αποδεικτικό στοιχείο, ότι οποιαδήποτε από τα σωματίδια της ύλης τα οποία ξέρουμε υπήρχαν πριν από αυτό το Μεγάλο Γεγονός.

 

Τα περισσότερα από τα (προφανώς) σταθερά σωματίδια που βλέπουμε τώρα γύρω μας — φωτόνια, ηλεκτρόνια, κουάρκ και τα διάφορα είδη νετρίνων που αποτελούν όλον τον ορατό Κόσμο — δημιουργήθηκαν εκείνη τη στιγμή.

 

Εν τούτοις, όπως οι άνθρωποι του Νεάντερταλ εξαφανίστηκαν ενώ οι Homo Sapiens επέζησαν, έτσι και κάτι στο πρώιμο Σύμπαν ευνόησε μερικά είδη σωματιδίων όπως λόγου χάριν τα up και down κουάρκς καθώς και τα ηλεκτρόνια, ενώ άλλα όπως τα περισσότερα σωμάτια από αυτά που προβλέπει η θεωρία SUSY εξαλείφθηκαν.

 

Μας είναι δε γνωστό ότι διάφορα πρόσθετα είδη κουάρκ και λεπτόνια – σαν το ηλεκτρόνιο – καθώς, επίσης, και άλλα σωματίδια (μποζόνια βαθμίδας που χρησιμεύουν ως μεταφορείς της δύναμης στην φυσική), υπήρχαν σε ισορροπία στο πρώτο κλάσμα του πρώτου μικροδευτερολέπτου μετά από την Αρχή. Αυτά τα σωματίδια, που διασπάστηκαν έπειτα, παράγονται για πολύ λίγο χρόνο πάλι στα υψηλής ενέργειας πειράματα στους σύγχρονους επιταχυντές.

 

Όμως, γίνεται τώρα σαφές από διάφορες αστροφυσικές παρατηρήσεις και από υπαινιγμούς που προκύπτουν από τα πειράματα σε επιταχυντές, ότι όλα αυτά τα σωματίδια καθώς και όλη η ορατή ύλη από τηλεσκόπια που λειτουργούν με ραδιοφωνικές συχνότητες έως ακτίνες γάμμα είναι λιγότερο από το 5% της πραγματικής ύλης στον κόσμο, ενώ λιγότερο από το 1% της ύλης βρίσκεται στα αστέρια και τους πλανήτες.

 

Ο μεγάλος όγκος της ύλης του Κόσμου, που είναι τώρα γνωστό ως σκοτεινή ύλη, φαίνεται να αλληλεπιδρά μόνο βαρυτικά ή μέσω της ασθενούς δύναμης με τα σωματίδια από τα οποία εμείς και ο πλανήτης μας αποτελούμαστε. Ένα άλλο συστατικό γνωστό ως σκοτεινή ενέργεια είναι, επίσης, πολύ σημαντικότερο από την «κανονική» ύλη που αποτελεί τον πλανήτη μας και τα σώματά μας. Αυτή η σκοτεινή ενέργεια οφείλεται, τουλάχιστον εν μέρει, στα εικονικά σωματίδια που συνεχώς αναδύονται από το κενό και εξατμίζονται έπειτα χάρις στην αρχή της αβεβαιότητας. Αποτελεί περίπου το 70 τοις εκατό του Κόσμου.

 

Η κύρια υποψήφια θεωρία για τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια, είναι γνωστή ως υπερσυμμετρία (Susy). Αυτή είναι μια ιδέα μεγάλης αισθητικής ομορφιάς, αν και υποστηρίζεται αυτή τη στιγμή μόνο από μερικά υποδηλωτικά, αλλά έμμεσα πειράματα. Αυτή η θεωρία που πρωτοεμφανίστηκε το 1970 με σκοπό να ενοποιήσει τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, έχει σαν κύριο χαρακτηριστικό της την ενοποίηση των μποζονίων (με ημιακέραιο σπιν) με τα φερμιόνια (με ακέραιο σπιν).

 

Η πιο σημαντική συνέπεια της υπερσυμμετρίας είναι ο διπλασιασμός των στοιχειωδών σωματιδίων προκειμένου να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις συμμετρίας που υπαγορεύονται από την αλγεβρική δομή της θεωρίας. Γι αυτό και προτείνει ότι κάθε ένα από τα γνωστά σωματίδια της φύσης συσχετίζεται με ένα ακόμα άγνωστο σε μας σωματίδιο «εταίρο ή συνεργάτη» του. Το ελαφρύτερο σωματίδιο από αυτούς τους υπερσυμμετρικούς εταίρους αναμένεται να είναι σταθερό και να αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της σκοτεινής ύλης.

 

Εάν η υπερσυμμετρία είναι ακριβής τα Susy σωματίδια θα είχαν την ίδια μάζα με τους εταίρους τους της κανονικής ύλης. Σε αυτήν την περίπτωση, εκτός από τα πιθανά αποτελέσματα από τις υψηλότερες διαστάσεις, η σκοτεινή ενέργεια θα εξαφανιζόταν.

 

Η παρατήρηση μιας θετικής σκοτεινής ενέργειας στον κόσμο προτείνει ότι μπορεί να υπάρξει ένα υπερσυμμετρικό σύμπαν, με  μηδενισμένη την ενέργεια του κενού. Επειδή τα φυσικά συστήματα τείνουν να πάνε στην κατάσταση της ελάχιστης ενέργειας, είναι πιθανό ότι ο κόσμος μας θα υποβληθεί τελικά σε μια μετάβαση φάσης σε έναν τέτοιο υπερσυμμετρικό σύμπαν. Οι ιδιότητες αυτού του Susy σύμπαντος έχουν αποτελέσει το αντικείμενο πρόσφατων ερευνών. Μια κύρια ερώτηση που παραμένει να επιλυθεί είναι εάν η ζωή θα μπορούσε να υπάρξει σε ένα τέτοιο υπόβαθρο.

 

Είναι επίσης πιθανόν ότι ένα υπερσυμμετρικό σύμπαν φυσαλίδα θα μπορούσε να υπάρξει αυτή τη στιγμή σε κάποιο απόμακρο μέρος του σύμπαντος μας. Η θεωρία επιτρέπει ότι μια τέτοια φυσαλίδα θα μπορούσε να είναι σταθερή και να μην καταρρεύσει και ότι θα μπορούσε να περιοριστεί σε μια περιοχή πολύ υψηλότερης  πυκνότητας από όσο το περιβάλλον κενό.

 

Το μοντέλο περιλαμβάνει για κάθε γνωστό σωματίδιο (δείτε τον κάτω πίνακα) έναν υπερσυμμετρικό εταίρο. Η τρέχουσα θεωρητική ερμηνεία για την απουσία των υπερσυμμετρικών εταίρων δέχεται ότι αυτά εξαφανίστηκαν πολύ νωρίς στα πρώτα στάδια της γέννησης του σύμπαντος.

 

Ονομα	Spin	Superpartner	Spin
Γκραβιτόνιο	2	Gravitino	3/2
Φωτόνιο	1	Photino	1/2
Γκλουόνιο	1	Gluino	1/2
W+,-	1	Wino+,-	1/2
Z0	1	Zino	1/2
Higgs	0	Higgsino	1/2

 

Γνωστά σωματίδια που μεταφέρουν δυνάμεις (μποζόνια) και οι πιθανοί υπερσυνεργάτες ή υπερεταίροι τους (φερμιόνια)

Όνομα	Spin	Superpartner	Spin
Ηλεκτρόνιο	1/2	Selectron	0
Μιόνιο	1/2	Smuon	0
Tau	1/2	Stau	0
Νετρίνο	1/2	Sneutrino	0
Quark	1/2	Squark	0

 

Γνωστά σωματίδια που φτιάχνουν την ύλη (φερμιόνια) και οι πιθανοί υπερσυνεργάτες ή υπερεταίροι τους (μποζόνια)

 

Η θεωρία αυτή είναι η μεγαλύτερη πρόβλεψη της θεωρίας χορδών, που για να αποδειχθεί χρειαζόμαστε τεράστιες ενέργειες στους επιταχυντές που ακόμα δεν έχουμε. Αν είναι σωστή θα δούμε στους επόμενους επιταχυντές σωματίδια – υπερεταίρους  (superpartners) των γνωστών σωματιδίων.

 

Οι υπερεταίροι των κουάρκ και άλλων φερμιονίων ονομάζονται με την προσθήκη του s πχ squarks, του ηλεκτρονίου selectron. Όμως οι υπερεταίροι των μποζονίων ονομάζονται με την κατάληξη -ινο πχ των γκλουονίων (το σωματίδιο των Yang-Mills που μεταφέρει την ισχυρή πυρηνική δύναμη) λέγεται γκλουίνο (gluino) και λοιπά.

 

Σε αυτήν την θεωρία, προτείνεται ότι κάθε φερμιόνιο πρέπει να έχει ένα μποζόνιο σαν εταίρο ή συνεργάτη, και αντίστροφα. Η ανακάλυψη ενός τέτοιου σωματιδίου θεωρείται βασική για την απόδειξη της θεωρίας χορδών ή την Μ-θεωρία. Η προσθήκη της υπερσυμμετρίας στη θεωρία χορδών της επέτρεψε να περιγράψει και φερμιόνια εκτός από τα μποζόνια, δεδομένου ότι τα μποζόνια που περιγράφονται στη θεωρία χορδών θα είχαν απαραιτήτως και φερμιόνια σαν υπερεταίρους.

 

Επειδή το ηλεκτρόνιο είναι φερμιόνιο, τότε το s-ηλεκτρόνιο θα πρέπει να εμφανίζει μποζονική συμπεριφορά. Αλλά αυτό σημαίνει ότι μια μάζα s-ηλεκτρονίων θα μπορούσε να συμπιεστεί απεριόριστα χωρίς να υπόκειται στους περιορισμούς της Αρχής του Pauli. Στο πρώιμο σύμπαν, ηλεκτρόνια και s-ηλεκτρόνια θα είχαν την ίδια μάζα λόγω της υψηλής πυκνότητας ενέργειας και θα αντάλλασσαν διαρκώς ρόλους μεταξύ τους. Καθώς όμως το σύμπαν διαστελλόταν και ψυχόταν, η υπερσυμμετρία έσπασε, με αποτέλεσμα την εξαφάνιση των υπερσυμμετρικών εταίρων οι οποίοι απέκτησαν πολύ μεγαλύτερη μάζα σε σχέση με τα πολύ ελαφρότερα συνηθισμένα σωματίδια τα οποία βλέπουμε σήμερα να απαρτίζουν τη γνωστή μας ύλη.

 

Δηλαδή η υπερσυμμετρία επινοήθηκε για να συγχωνευτούν σε μία ενιαία περιγραφή τα δύο είδη των στοιχειωδών σωματιδίων: τα μποζόνια με σπιν άρτιο πολλαπλάσιο του 1/2 και τα φερμιόνια με σπιν περιττό πολλαπλάσιο του 1/2. Αποτελεί μεν την ελπίδα της επίλυσης πολλών προβλημάτων στην σωματιδιακή θεωρία αλλά απαιτεί ίσο αριθμό φερμιονίων και μποζονίων. Αν η υπερσυμμετρία είναι μια συμμετρία των φυσικών νόμων τότε τα φαινομενικά διαφορετικά σωματίδια στην πραγματικότητα αποτελούν τις διαφορετικές όψεις του ιδίου πράγματος

 

Δυστυχώς, η τρέχουσα θεωρία είναι ανίκανη να υπολογίσει με ακρίβεια τις μάζες των υπερεταίρων. Ένα συμπέρασμα που βγαίνει είναι ότι το εύρος της μάζας τους θα κυμαίνεται από 100 GeV έως 1000 GeV. Με άλλα λόγια θα είναι βαρύτερα 100–1000 φορές από το πρωτόνιο.

 

Υπάρχει μεταξύ των άλλων και μια διαφωνία που σχετίζεται με την πιθανότητα το ελαφρύτερο σωματίδιο της θεωρίας SUSY να είναι μια μορφή σκοτεινής ύλης για ένα μεγάλο τμήμα του σύμπαντος. Αλλά αυτή η άποψη απαιτεί να έχουν το ίδιο εύρος μαζών.