Supersymetria


W Modelu Standardowym struktury materii rozróżnia się dwie grupy cząstek:

·        Fermiony,mające spin połówkowy i podlegające zakazowi Pauliego, do których zaliczamy leptony i kwarki;

·        Bozony, mające spin całkowity i nie podlegające zakazowi Pauliego,  do których należą nośniki oddziaływań pomiędzy fermionami.

Wymiana fotonu w oddziaływaniu elektromagnetycznym pomiędzy naładowanymi fermionami nie zmienia ich typu ani ładunku. Wymiana bozonów W± i Z0 w oddziaływaniu słabym, powoduje przemianę jednego leptonu w drugi, bądź jednego kwarku w drugi (oczywiście w obrębie generacji). Przy czym wymiana bozonów  nie zmienia ładunku elektrycznego, zaś wymiana bozonów W± zmienia ładunek elektryczny, oddziałujących fermionów. Wymiana gluonów pomiędzy kwarkami w oddziaływaniach kolorowych prowadzi na ogół do zmiany ładunku kolorowego kwarków, nie zmieniając jednak ich rodzaju. W końcu wymiana bozonów X w wielkiej unifikacji, powoduje zmianę ładunku elektrycznego, słabego oraz kolorowego, może zatem powodować przemianę kwarków w leptony i odwrotnie.

W wielkiej unifikacji brakuje jednak oddziaływania grawitacyjnego. Przez wiele lat uważano, że grawitacja nie odgrywa istotnej roli w mikroświecie. Jednak w miarę rozważania coraz większych energii, przekonano się, że nie sposób uzyskać w pełni zadowalającego obrazu świata, bez włączenia grawitacji w ogólny schemat unifikacyjny. Pierwsze próby takiej superunifikacji  nie dawały jednak zadowalającego rezultatu, gdyż grawitacja w języku Ogólnej Teorii Względności (OTW) została opisana jako geometria czasoprzestrzeni. Pole grawitacyjne jest polem tensorowym, a kwantem takiego pola byłby grawiton, który ma spin równy 2.

Każde z trzech oddziaływań wielkiej unifikacji ma charakterystyczną dla siebie grupę symetrii, czyli grupę transformacji funkcji pola. Dla oddziaływań elektromagnetycznych była to grupa U(1), dla oddziaływań słabych grupa SU(2), a dla oddziaływań kolorowych grupa SU(3). Wielka unifikacja SU(5) zawiera wszystkie powyższe grupy. Wymienione grupy transformacji działają wprost na odpowiednie funkcje pola, a nie na współrzędne czasoprzestrzenne. Natomiast grawitacja, ze względu na swój geometryczny charakter, powinna mieć grupę symetrii działającą na współrzędnych czasoprzestrzennych i dopiero poprzez nie na funkcje pola. Unifikując więc grawitację z pozostałymi trzema oddziaływaniami należy znaleźć wspólną grupę symetrii, która zawierać będzie grupy typu SU(N) oraz grupy symetrii współrzędnych dla OTW. Taką unifikację opisuje teoria Supersymetrii.

Supersymetrie służą do opisu symetrii pomiędzy fermionami (polami kwantowymi ze spinem połówkowym) i bozonami (polami kwantowymi ze spinem całkowitym). Powinny zawierać pary takich kwantowych pól o wartościach spinów różniących się o 1/2. Charakterystyczną cechą supersymetrii jest możliwość przemiany fermionów w bozony i odwrotnie. Teoria supersymetrii, która wiąże ze sobą fermiony i bozony, wymaga wprowadzenia dodatkowych typów cząstek. Jeżeli supersymetria jest realizowana w przyrodzie, to każda znana cząstka musi mieć swojego superpartnera, którego spin różni się o 1/2. Fermiony o spinie ułamkowym mają "superpartnerów" o spinie całkowitym. Natomiast bozony o spinie całkowitym mają "superpartnerów" o spinie ułamkowym. Te supersymetryczne cząstki różnią się od cząstek wyjściowych tylko spinem (różnica o 1/2). Wszystkie pozostałe własności, takie jak masa czy ładunek elektryczny, są identyczne. Supersymetrycznych partnerów fermionów i bozonów nazwano i oznaczono następująco:

- superpartnerzy fermionów to: s – fermiony, czyli s – kwarki i s – leptony (o spinie równym 0);

- superpartnerzy bozonów to: bozina: fotino, W_ino, Z_ino, gluino (o spinie 1/2), grawitino (o spinie 3/2).

Idea supersymetrii została wprowadzona do Modelu Standardowego. W szczególności każdemu kwarkowi dodano partnera supersymetrycznego, czyli tak zwanego skwarka o spinie równym 0. Każdy gluon połączono supersymetrycznie z fermionem o spinie 1/2, który opisuje gluino. Głównym problemem w supersymetrycznym Modelu Standardowym jest wprowadzenie dużej liczby nowych obiektów elementarnych (supersymetrycznych cząstek), z których, do chwili obecnej, żaden nie został wykryty na drodze doświadczalnej.

Supersymetria jest uogólnieniem symetrii czasu i przestrzeni, które odkryli, na początku XX wieku, Lorentz i Einstein. Z punktu widzenia fizyki cząstek elementarnych, supersymetria jest szczególnie ważna, ponieważ umożliwia budowę tak zwanych modeli wielkiej unifikacji, które stanowią naturalne uogólnienie Modelu Standardowego. Odkrycie cząstek supersymetrycznych miałoby niezwykle doniosłe znaczenie dla fundamentalnych badań teoretycznych, w których próbuje się połączyć teorię cząstek elementarnych z teorią grawitacji. Najbardziej popularna teoria tego typu, czyli teoria superstrun, również przewiduje istnienie supersymetrii. Odkrycie cząstek supersymetrycznych byłoby pośrednim potwierdzeniem słuszności tej teorii.

idź do spisu treści