Sciencemag.cz
Doporučujeme
Kromě pátrání po Higgsově bosonu je hledání supersymetrie asi největším úkolem urychlovače LHC.
pokračování včerejšího úryvku
Hlavní poučení z fenomenálního úspěchu elektroslabé teorie zní, že symetrie je náš spojenec v odhalování tajemství přírody. Fyzici se do symetrií zamilovali a touží objevit so možná největší z nich. Snad nejambicióznější projekt v tomto směru je znám pod velmi příhodným byť nepříliš originálním názvem: supersymetrie.
Symetrie vystihující interakce standardního modelu navzájem spojují velmi podobné částice. Například symetrie silných interakcí svazuje kvarky různých barev, zatímco symetrie slabých interakcí svazuje kvarky typu u s kvarky typu d, elektrony s elektronovými neutriny a další obdobné páry fermionů. Supersymetrie se naopak pokouší o velice ambiciózní krok: provázat fermiony s bosony. Je-li symetrie mezi elektrony a elektronovými neutriny něco jako srovnávání jablek s pomeranči, pak pokus o propojení fermionů s bosony připomíná snahu porovnávat banány s orangutany.
Na první pohled vypadá takový projekt velmi bláznivě a neproveditelně. Symetrie vlastně znamená, že neexistuje nějaký rozdíl mezi částicemi. Například existují druhy kvarků označované jako „červené“, „zelené“ a „modré“, ale u silných interakcí nezáleží na tom, jakou barvu mají. Elektrony a elektronová neutrina jsou evidentně rozdílné objekty, ale jenom proto, že symetrie slabých interakcí je dnes v prázdném prostoru narušena Higgsovým polem. Kdyby Higgsovo pole neexistovalo, byly by elektrony a elektronová neutrina (přesněji řečeno jejich levotočivé části) opravdu nerozlišitelné.
Podíváme-li se na fermiony a bosony standardního modelu, vypadají úplně jinak. Mají jiné hmotnosti, jiné elektrické náboje, jinak vnímají slabé a silné interakce a dokonce se výrazně liší i jejich celkové pošty. Žádnou zjevnou symetrii mezi nimi opravdu nenajdeme.
Fyzici jsou ale velmi vytrvalí a usilovní. Po jisté době přišli na nápad, že úplně všechny částice standardního modelu částic a jejich interakcí by mohly mít dosud neznámé „superpartnery“, s nimiž by byly svázány pomocí supersymetrie. Předpokládá se, že všichni superpartneři by měly velkou hmotnost, a proto se nám je zatím nepodařilo detekovat. Aby tento báječný nápad náležitě oslavili, vymysleli fyzici moc pěkné a logické názvosloví. Vezměte fermion, na začátek jeho jména připojte „s“ a dostaneme jméno příslušného bosonového superpartnera. Máte-li boson, připojte na konec jeho jména „ino“ a dostanete příslušného fermionového superpartnera.
V teorii supersymetrie proto máme dodatečnou sadu bosonů zvaných „selektrony“, „skvarky“ a tak dále, a rovněž novou sadu fermionů zvaných „fotiona“, „gluina“ či „higgsina“. (Jak s oblibou říká Dave Barry, přísahám, že jsem si to nevymyslel.) Superpartneři sdílejí podobné rysy jako původní částice, až na to, že jejich hmotnosti jsou mnohem větší a role bosonů a fermionů je navzájem prohozena. Například „st“ je bosonový partner kvarku „t“, pociťuje silnou i slabou interakci a jeho náboj je +2/3. Je zajímavé, že v určitých supersymetrických modelech je st nejlehčí bosonový superpartner, přestože t je nejtěžší fermion. Fermionoví superpartněři mají tendenci se navzájem promíchávat, takže partneři bosonů W a nabitých Higgsových bosonů se mixují a spolu vytvářejí „chargina“, zatímco partneři Z, fotonu a neutrálního Higgsova bosonu vytvářejí „neutralina“.
Supersymetrie je dosud ryze spekulativní idea. Má spoustu krásných vlastností, ale zatím vůbec žádné pozorování nesvědčí o její reálné existenci. Pro svou velkou eleganci si ji však teoretičtí fyzici velmi oblíbili a je hlavním kandidátem na teorii částic jdoucí za rámec standardního modelu. Přestože je to krásná myšlenka, v našem reálném světě musí být supersymetrie bohužel narušena, jinak by částice i jejich superpartneři měly zcela stejné hmotnosti. Jakmile supersymetrii narušíme, teorie přestává být krásná a elegantní a stává se z ní vcelku nechutný guláš.
Existuje cosi, co se nazývá „Minimální Supersymetrický Standardní Model“, jenž je údajně nejméně složitým supersymetrickým rozšířením reálného světa. Obsahuje 120 nových fyzikálních parametrů, které všechny musíme uměle nastavit. To znamená, že v konstrukci konkrétních supersymetrických modelů existuje obrovská volnost. Aby se dalo spočítat aspoň něco, často se některé parametry pokládají rovny nule anebo sobě rovny. Z praktického hlediska tato volnost znamená, že je velmi obtížné učinit jakoukoli specifickou „supersymetrickou předpověď“. Přijdou-li experimenty s nějakým omezením, vždy je možno přenastavit parametry teorie tak, aby ještě nebyla vyvrácena.
Kromě pátrání po Higgsově bosonu je hledání supersymetrie asi největším úkolem urychlovače LHC. Uvážíme-li však složitost a nejednoznačnost teorie, pak i v případě, že ji objevíme, bude opravdu velmi složité zjistit, o jaký model supersymetrie se jedná.
Je hodně zajímavé, že supersymetrie říká, že jeden Higgsův boson nestačí. Vzpomeňte si na jedenáctou kapitolu, kde jsme uvedli, že Higgsovo pole ve standardním modelu začíná jako čtveřice skalárních polí o stejné hmotnosti. Po narušení symetrie jsou tři z těchto polí pohlceny bosony W a Z, takže zbyde jen jediné skalární Higgsovo pole, které můžeme detekovat. V supersymetrických verzích standardního modelu je z technických důvodů nutno počet skalárních polí zdvojnásobit, tedy namísto čtyř jich musí být osm. (Nezapočítáváme zde fermionové higgsinové superpartnery, máme na mysli jenom bosonová pole.) Jedno ze čtveřice polí dodává hmotnost kvarkům typu u, další pak kvarkům typu d. Stále máme jenom tři bosony W a Z: jakmile Higgsovo pole nabude nenulové hodnoty, elektroslabá symetrie se naruší a tři z těchto skalárních polí jsou pohlceny, takže zbývá pět různých Higgsových bosonů. Přímočarým důsledkem supersymetrie tedy opravdu je pět Higgsových bosonů namísto jediného ve standardním modelu. Jeden z nich bude mít kladný elektrický náboj, jeden bude mít náboj záporný a zbylé tři budou elektricky neutrální.
Objevit pět Higgsových bosonů je evidentně velká výzva pro experimentátory. Proto byli fyzikové z LHC tak opatrní při oznamování svého objevu nové částice na 125 GeV. Může to totiž být jen jeden z Higgsových bosonů, nikoli unikátní Higgsův boson. Když se lidé pokoušejí konstruovat supersymetrické modely, je snadné zařídit, aby jeden Higgs byl lehčí než ostatní, takže je dobře možné, že jsme ho právě objevili. Je ale též pravda, že nejlehčí Higgs bývá v těchto teoriích zpravidla dost lehký, obvykle má hmotnost 115 GeV nebo méně. Teoreticky je možné zvýšit jeho hmotnost až na 125 GeV, ale jenom za cenu pár ne zcela přirozených operací. Nezbytně potřebujeme další přesnější data nejenom o právě objevené částici ale i o případných dalších.
Z předpovědi dalších částic jsou experimentální fyzici velmi šťastní. Supersymetrická teorie se tím ale automaticky nestává přijatelnější. Teoretici ji mají rádi z jiného důvodu: pomáhá vyřešit problém hierarchie.
Problém hierarchie vzniká tím, že očekáváme, že efekt virtuálních částic bude posouvat hodnotu Higgsova pole k Planckově škále. Bližší rozbor však ukazuje, že virtuální bosony posouvají Higgsovo pole jedním směrem, zatímco virtuální fermiony naopak. A priori není žádný důvod se domnívat, že oba efekty se navzájem vyruší. Obvykle odečtením jednoho velikého čísla od jiného velikého čísla dostaneme třetí číslo (kladné či záporné), které je také velké, nikoli malé. V případě supersymetrie je to ale jinak. Fermionová a bosonová pole si přesně odpovídají a efekty jejich virtuálních fluktuací se přesně vyruší. Hierarchie zůstává nedotčena. Právě to je hlavní motivací, proč fyzici berou supersymetrii vážně.
Další motivací je představa WIMPů coby temné hmoty. V rozumných supersymetrických modelech je nejlehčí superpartner zcela stabilní částice s hmotností a mírou interakce srovnatelnými se slabou škálou. Nemá-li tato částice elektrický náboj, tedy pokud je to neutralino, máme ideálního kandidáta na temnou hmotu. Spousta teoretických prací již byla věnována výpočtům reliktního zastoupení neutralin v různých supersymetrických modelech. Protože nových možných částic a jejich interakcí je obrovská spousta, lze dosáhnou velkého rozmezí výsledků. Není proto obtížné získat správné množství hustoty temné hmoty. Pokud existují superpartneři s energiemi, jež jsou dostupné na urychlovači LHC, možná se nám podaří provést spektakulární syntézu částicové fyziky a kosmologie. Je dobré klást si vysoké cíle.
Sean Carroll
Částice na konci vesmíru
Kterak nás honba za Higgsovým bosonem dovedla až na práh nového světa
Argo a Dokořán 2018
O knize na stránkách vydavatele
