Бесконечномерная симметрия открывает возможность новой физики и новых частиц

Симметрии, которые управляют миром элементарных частиц на самом элементарном уровне, могут радикально отличаться от того, что до сих пор считалось правильным. Этот удивительный вывод вытекает из новой работы, опубликованной физиками-теоретиками из Варшавы и Потсдама. Схема, которую они создают, объединяет все силы природы таким образом, который согласуется с существующими наблюдениями и предполагает существование новых частиц с необычными свойствами, которые могут присутствовать недалеко от нас.

В течение полувека физики пытались построить теорию, которая объединяет все четыре фундаментальные силы природы, описывает известные элементарные частицы и предсказывает существование новых. До сих пор эти попытки не нашли экспериментального подтверждения, и Стандартная модель — неполная, но удивительно эффективная теоретическая конструкция — по-прежнему является лучшим описанием квантового мира.

В недавней статье в «Physical Review Letters» профессор Кшиштоф Мейсснер из Института теоретической физики Варшавского университета и профессор Герман Николаи из института Макса Планка в Потсдаме, представили ​​новую схему, обобщающую Стандартную модель, которая включает гравитацию в описание. В новой модели применяется новая симметрия, ранее не использованная в описании элементарных частиц.

В физике симметрии понимаются несколько иначе, чем в разговорном смысле этого слова. Например, брошен ли мяч сейчас или через минуту, он все равно будет падать одинаково. Это проявление определенной симметрии: законы физики остаются неизменными относительно сдвигов во времени. Точно так же падение шара с одной и той же высоты в одном месте имеет тот же результат, что и падение его в другом. Это означает, что законы физики также симметричны относительно пространственных операций.

«Симметрии играют огромную роль в физике, потому что они связаны с принципами сохранения. Например, принцип сохранения энергии включает в себя симметрию относительно сдвигов во времени, принцип сохранения импульса связан с симметрией пространственного смещения, и принцип сохранения углового момента связан с вращательной симметрией », — говорит профессор Мейсснер.

Разработка теории суперсимметрии для описания симметрий между фермионами и бозонами началась еще в 1970-х годах. Фермионы — элементарные частицы, спин которых, квантовое свойство, связанное с вращением, выражается в нечетных кратных дроби 1/2, и они включают в себя как кварки, так и лептоны. Среди последних являются электроны, мюоны, тауоны, и связанные с ними нейтрино (а также их античастицы).

Протоны и нейтроны, обычные неэлементарные частицы, также являются фермионами. Бозоны, в свою очередь, являются частицами с целочисленными значениями спина. К ним относятся частицы, ответственные за силы (фотоны, носители электромагнитной силы; глюоны, несущие сильную ядерную силу; W и Z бозоны, несущие слабую ядерную силу), а также бозон Хиггса.

«Первые суперсимметричные теории пытались объединить силы, характерные для элементарных частиц, другими словами электромагнитную силу с симметрией, известную как U (1), слабую силу с симметрией SU (2) и сильную силу с симметрией SU (3) Гравитация все еще отсутствовала», — говорит профессор Мейснер. «Симметрия между бозонами и фермионами по-прежнему была глобальной, что означает то же самое в каждой точке пространства. Вскоре после этого теории были поставлены там, где симметрия была локальной, то есть она могла проявляться по-разному в каждой точке пространства. Обеспечение такой симметрии в теории необходимые для притяжения, и такие теории стали называть супергравитациями».

Физики заметили, что в теориях супергравитации в четырех пространственно-временных измерениях не может быть более восьми различных суперсимметричных вращений. Каждая такая теория имеет строго определенный набор полей (степеней свободы) с разными спинами (0, 1/2, 1, 3/2 и 2), известные соответственно как поля скаляров, фермионов, бозонов и гравитонов. Для супергравитации N = 8, которая имеет максимальное число вращений, существует 48 фермионов (со спином 1/2), а именно количество степеней свободы, необходимых для учета шести типов кварков и наблюдаемых шести типов лептонов в природе. Поэтому было указано, что супергравитация N = 8 является исключительной во многих отношениях. Однако она не была идеальной.

Одна из проблем включения Стандартной модели в супергравитацию N = 8 была обусловлена ​​электрическими зарядами кварков и лептонов. Все заряды оказались сдвинутыми на 1/6 по сравнению с наблюдаемыми в природе: электрон имел заряд -5/6 вместо -1, у нейтрино было 1/6 вместо 0 и т. д. Эта проблема, впервые обнаруженная Мюрреем Гелл-Манном более 30 лет назад, не была разрешена до 2015 года, когда профессора Мейсснер и Николаи представили соответствующий механизм для изменения симметрии U (1).

«После этой корректировки мы получили структуру с симметриями U (1) и SU (3), известными из Стандартной модели. Этот подход оказался очень отличным от всех других попыток обобщения симметрий Стандартной модели. Мотивация была подкреплена тем, что ускоритель БАК не смог произвести ничего, кроме стандартной модели, и N = 8 супергравитационное содержание фермионов совместимо с этим наблюдением.

Чего не хватало, так это добавить группу СУ (2), ответственную за слабые ядерные силы. В нашей недавней статье мы показали, как это можно сделать. Это объясняет, почему все предыдущие попытки обнаружения новых частиц, мотивированные теориями, которые рассматривали симметрию SU(2) как спонтанно нарушенную для низких энергий, но как удержание в диапазоне высоких энергий, должны были быть безуспешными. На наш взгляд, SU (2) является лишь приближением как для низких, так и для высоких энергий», — объясняет профессор Мейснер.

Как механизм согласования электрических зарядов частиц, так и улучшение, включающее слабую силу, оказались принадлежащими к группе симметрии, известной как E10. В отличие от групп симметрии, ранее использовавшихся в теориях объединения, E10 является бесконечной группой, очень плохо изученной даже в чисто математическом смысле. Профессор Николаи с Тибо Дамуром и Марком Хенно работали над этой группой и раньше, потому что она появилась как симметрия в сверхгравитации N=8 в условиях, аналогичных тем, которые были в первые моменты после Большого Взрыва, когда только одно измерение было значительным: время.

«Впервые у нас есть схема, которая точно предугадывает состав фермионов в Стандартной модели — кварков и лептонов — и делает это с соответствующими электрическими зарядами. В то же время она включает в описание гравитацию. Удивительно, что правильная симметрия является ошеломляюще огромной группой симметрии E10, практически неизвестной математически. Если дальнейшая работа подтвердит роль этой группы, это будет означать радикальное изменение наших знаний о симметриях природы», — говорит профессор Мейснер.

Хотя динамика еще не понята, схема, предложенная учеными, дает конкретные прогнозы. Она сохраняет число фермионов спина 1/2, как в Стандартной модели, но, с другой стороны, предполагает существование новых частиц с очень необычными свойствами. Важно отметить, что по крайней мере некоторые из них могут присутствовать в нашем непосредственном окружении, и их обнаружение должно быть в рамках возможностей современной аппаратуры обнаружения.

Krzysztof A. Meissner et al, Standard Model Fermions and Infinite-Dimensional R Symmetries, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.091601