Hvad er supersymmetri? Teori, superpartikler og betydning for standardmodellen

Lær om supersymmetri: teori, superpartikler, betydning for standardmodellen og mørkt stof samt LHC-eksperimenternes status — kan denne teori ændre vores forståelse af universet?

Supersymmetri er en videnskabelig teori, der siger, at da elementarpartikler (som f.eks. fotoner, elektroner og kvarker) blev dannet i universets begyndelse, blev der også skabt tilsvarende former for teoretiske "superpartikler". Hvis denne teori er sand, ville den mindst fordoble antallet af partikler i universet. Hvis universet har ekstra dimensioner (M-teorien af Edward Witten forudsiger op til 11), ville der også være flere måder at have symmetri på og flere slags superpartikler.

Mange forskere håber at kunne bevise supersymmetri, fordi den udfylder mange huller i fysikkens standardmodel (herunder mørkt stof) og vil understøtte ideerne i strengteorien. Eksperimenter i Large Hadron Collider har imidlertid endnu ikke fundet beviser for supersymmetri.

Supersymmetri var en idé af Hironari Miyazawa (f. 1927).

Hvad er grundideen?

Grundidéen i supersymmetri (SUSY) er, at for hver partikel i Standardmodellen findes en partner (en "superpartner") med samme interne egenskaber (ladning, farve osv.) men forskellig spinkvantisering: en fermion har en bosonisk partner og omvendt. I en fuldstændig ubrudt supersymmetri ville hver partikel og dens superpartner have præcis samme masse. Fordi vi ikke observerer sådanne lige-masse-par i naturen, må supersymmetrien være brudt – det vil sige, superpartnerne er tungere og derfor sværere at opdage.

Navne på superpartikler

Der er en fast navngivningskonvention for superpartikler:

• Fermioner (f.eks. elektron, kvarker) får en ekstra bogstavs- eller præfiks-variant: elektron → selectron, kvark → squark, fællesbetegnelse slepton for leptonernes scalar-partnere.
• Bosoner får ofte endelsen "-ino": foton → photino, gluon → gluino, W/Z → wino/zino, Higgs → higgsino.
• Gravitonens partner hedder gravitino.

Hvorfor er supersymmetri interessant for fysikere?

• Løser hierarki-problemet: Supersymmetri kan underminere de store kvadratiske korrektioner til Higgs-massen ved at få bidrag fra fermion- og bosonløkker til at ophæve hinanden, hvilket gør Higgs-massen "naturlig" uden ekstrem finjustering.
• Dark matter-kandidat: Hvis en konservativ kvantitet kaldet R-paritet er bevaret, er den letteste supersymmetriske partikel (LSP) stabil og kan være et koldt mørkt stof-kandidat, typisk en neutralino eller gravitino.
• Gauge-coupling unifikation: I mange supersymmetriske udvidelser (f.eks. MSSM) løber de tre fundamentale vekselvirkningskonstanter sammen ved en høj energiskala bedre end i den ikke-supersymmetriske Standardmodel, hvilket peger mod en mulig stor forenings-teori.
• Forbindelse til strengteori: Supersymmetri er et centralt element i de fleste versioner af strengteori og M-teori, så bevis for SUSY ville støtte disse rammer.

Teoretiske varianter og brud

Den mest studerede konkrete model er MSSM (Minimal Supersymmetric Standard Model), som er den enkleste udvidelse af Standardmodellen med supersymmetri. For at være realistisk må supersymmetrien være brudt – det håndteres typisk ved "soft SUSY-breaking" masseterms, som giver superpartnerne tunge masser uden at ødelægge de gode egenskaber ved SUSY (som annullering af divergenser).

Der findes mange varianter: natural SUSY (hvor enkelte partnere holdes relativt lette), split SUSY (hvor skalarpartnere er meget tunge men fermioniske partnere lettere), gauge-mediated eller gravity-mediated brudsmekanismer osv. Forskellige scenarier giver forskellige eksperimentelle signaler.

Eksperimentelle søgninger og aktuel status

Søgningen efter supersymmetri foregår både direkte og indirekte:

• Direkte søgninger ved kollidere: LHC leder efter produktion af spartikler, typisk via signaler med mange jets, leptoner og stor manglende transvers energi (missing transverse energy, MET) pga. stabile LSP'er, der undslipper detektorene. Indtil videre er der ingen signifikant opdagelse, og eksperimentelle grænser har skubbet mange simple SUSY-modellers masser af spartikler op i området af flere hundrede GeV til flere TeV afhængig af typen.
• Indirekte spor: Præcisionsmålinger (f.eks. i sjældne henfald, elektrisk dipolmoment, muon g-2) kan vise afvigelser fra Standardmodellen, som kan tolkes som SUSY-effekter. Nogle målinger, som muon g-2, har givet diskussion, men intet entydigt bevis for SUSY.
• Mørkt stof-eksperimenter: Direkte- og indirekte-detektion af mørkt stof kan også teste SUSY-dark-matter-kandidater (neutralino, gravitino). Ingen klar detektion til dato.

Sammenfatning: LHC har endnu ikke fundet bekræftende beviser, og de mest naturalistiske, lette versioner af SUSY er under pres, men større eller mere komplekse versioner af SUSY er stadig mulige. Fremtidige eksperimenter (HL-LHC, mulige fremtidige kollidere og forbedrede mørkt stof-eksperimenter) kan udvide følsomheden.

Hvordan ville vi kende SUSY, hvis den findes?

Et klart tegn ville være observation af et sæt partikler med de forventede relationer mellem spin og kvantetal, sammen med en stabil, svagt vekselvirkende partikel, der giver MET-signaturer i kolliderdata. Kombination af collider-data, astrofysiske mørkt stof-signaler og præcisionsmålinger ville være nødvendig for både at bekræfte det og bestemme SUSY-parametrene.

Historisk note

Idéen om supersymmetri tilskrives Hironari Miyazawa (f. 1927), som introducerede tidlige versioner af symmetrien. Siden er konceptet blevet udviklet og formaliseret i 1970'erne og videre ind i moderne teorier som MSSM, strengteori og M-teori.

Spørgsmål og svar

Q: Hvad er supersymmetri?

Q: Hvor mange slags partikler ville supersymmetri skabe?

Q: Hvor mange ekstra dimensioner forudsiges i M-teori?

Q: Hvilke huller i fysikkens standardmodel ville supersymmetri udfylde?

Q: Hvad er forholdet mellem supersymmetri og strengteori?

Q: Hvad er Large Hadron Collider?

Q: Er der indtil videre fundet beviser for supersymmetri i eksperimenter med Large Hadron Collider?

Søg efter bogstav