De symmetrier som styr elementarpartiklarnas värld på den mest elementära nivån kan vara radikalt annorlunda än vad man hittills har trott. Denna överraskande slutsats framgår av nytt arbete publicerat av teoretiker från Warszawa och Potsdam. Schemat de positiverar förenar alla naturkrafter på ett sätt som överensstämmer med befintliga observationer och förutser förekomsten av nya partiklar med ovanliga egenskaper som till och med kan finnas i våra närområden.

Under ett halvt sekel, fysiker har försökt konstruera en teori som förenar alla fyra grundläggande naturkrafter, beskriver de kända elementära partiklarna och förutspår förekomsten av nya. Än så länge, dessa försök har inte hittat experimentell bekräftelse, och standardmodellen – en ofullständig, men förvånansvärt effektiv teoretisk konstruktion – är fortfarande den bästa beskrivningen av kvantvärlden. I en ny tidning i Fysiska granskningsbrev , Prof. Krzysztof Meissner från Institute of Theoretical Physics, Fysiska fakulteten, University of Warsaw, och professor Hermann Nicolai från Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik i Potsdam har presenterat ett nytt schema som generaliserar standardmodellen som innehåller gravitation i beskrivningen. Den nya modellen tillämpar ett slags symmetri som inte tidigare använts i beskrivningen av elementära partiklar.

Inom fysiken, symmetrier förstås något annorlunda än i ordets vardagliga betydelse. Till exempel, om en boll tappas nu eller om en minut, det kommer fortfarande att falla på samma sätt. Det är en manifestation av en viss symmetri:fysikens lagar förblir oförändrade när det gäller förändringar i tid. Liknande, tappa bollen från samma höjd på en plats har samma resultat som att tappa den på en annan. Detta innebär att fysikens lagar också är symmetriska med avseende på rumsliga operationer.

"Symmetrier spelar en stor roll i fysiken eftersom de är relaterade till principer för bevarande. Till exempel, principen om energibesparing innebär symmetri med avseende på tidsförskjutningar, principen för bevarande av momentum gäller symmetri för rymdförskjutning, och principen för bevarande av vinkelmoment avser rotationssymmetri, "säger prof. Meissner.

Att utveckla en supersymmetrisk teori för att beskriva symmetrier mellan fermioner och bosoner började redan på 1970 -talet. Fermioner är elementära partiklar vars spin, en kvantegenskap relaterad till rotation, uttrycks i udda multiplar av fraktionen 1/2, och de inkluderar både kvarker och leptoner. Bland de senare finns elektroner, muons, tauoner, och deras associerade neutriner (liksom deras antipartiklar). Protoner och neutroner, vanliga icke-elementära partiklar, är också fermioner. Bosoner, i tur och ordning, är partiklar med heltalsspinnvärden. De inkluderar partiklar som är ansvariga för krafter (fotoner, bärare av den elektromagnetiska kraften; gluoner, bär den starka kärnkraften; W och Z bosoner, bär den svaga kärnkraften), liksom Higgs boson.

"De första supersymmetriska teorierna försökte kombinera de krafter som är typiska för elementarpartiklar, med andra ord den elektromagnetiska kraften med en symmetri som kallas U(1), den svaga kraften med symmetri SU (2) och den starka kraften med symmetri SU (3). Tyngdkraften saknades fortfarande, "Professor Meissner säger." Symmetrin mellan bosonerna och fermionerna var fortfarande global, vilket betyder samma sak vid varje punkt i rymden. Strax därefter, teorier ställdes där symmetri var lokal, vilket betyder att det kan manifestera sig olika vid varje punkt i rymden. Säkerställa sådan symmetri i den teori som krävs för att gravitation ska ingå, och sådana teorier blev kända som supergravities."

Fysikerna märkte att i supergravitationsteorier i fyra spatiotemporala dimensioner, det kan inte finnas mer än åtta olika supersymmetriska rotationer. Varje sådan teori har en strikt definierad uppsättning fält (frihetsgrader) med olika snurr (0, 1/2, 1, 3/2 och 2), känd som skalarfält, fermioner, bosoner, gravitinos och gravitons. För supergravitation N=8, som har det maximala antalet varv, det finns 48 fermioner (med spinn 1/2), vilket är exakt det antal frihetsgrader som krävs för att redogöra för de sex typerna av kvarker och sex typer av leptoner som observerats i naturen. Det fanns därför allt som tyder på att övervikt N =8 är exceptionell i många avseenden. Dock, det var inte idealiskt.

Ett av problemen med att införliva standardmodellen i N =8 -övervikt orsakades av elektriska laddningar av kvarker och leptoner. Alla laddningar visade sig vara förskjutna med 1/6 i förhållande till de som observerades i naturen:elektronen hade en laddning på -5/6 istället för -1, neutrino hade 1/6 istället för 0, etc. Detta problem, först observerades av Murray Gell-Mann för mer än 30 år sedan, löstes inte förrän 2015, när professorerna Meissner och Nicolai presenterade respektive mekanism för att modifiera U(1)-symmetrin.

"Efter att ha gjort denna justering fick vi en struktur med de symmetrier U (1) och SU (3) som är kända från standardmodellen. Tillvägagångssättet visade sig vara mycket annorlunda än alla andra försök att generalisera standardmodellens symmetrier. Motiveringen var förstärkt av det faktum att LHC -acceleratorn inte lyckades producera något utöver standardmodellen och N =8 supergravity -fermioninnehåll är förenligt med denna observation. Det som saknades var att lägga till SU (2) -gruppen, ansvarig för den svaga kärnkraften. I vår senaste tidning, vi visar hur detta kan göras. Det skulle förklara varför alla tidigare försök att upptäcka nya partiklar, motiverad av teorier som behandlade SU (2) symmetrin som spontant kränkt för låga energier, men som att hålla i intervallet med höga energier, var tvungen att misslyckas. Enligt vår uppfattning, SU(2) är bara en approximation för både låga och höga energier, "Professor Meissner förklarar.

Både mekanismen som förenar de elektriska laddningarna av partiklarna, och förbättringen som inkorporerade den svaga kraften visade sig tillhöra en symmetrigrupp känd som E10. Till skillnad från de symmetrigrupper som tidigare använts i föreningsteorier, E10 är en oändlig grupp, mycket dåligt studerat även i rent matematisk mening. Professor Nicolai med Thibault Damour och Marc Henneaux hade arbetat med denna grupp tidigare, eftersom det framträdde som en symmetri i N =8 supergravitation under liknande förhållanden som under de första ögonblicken efter Big Bang, när bara en dimension var betydelsefull:tiden.

"För första gången, vi har ett schema som exakt förutser sammansättningen av fermionerna i standardmodellen - kvarker och leptoner - och gör det med rätt elektriska laddningar. Samtidigt innehåller det gravitation i beskrivningen. Det är en stor överraskning att den rätta symmetrin är den svindlande enorma symmetrigruppen E10, nästan okänt matematiskt. Om ytterligare arbete bekräftar denna grupps roll, det kommer att innebära en radikal förändring av vår kunskap om naturens symmetrier, "Säger professor Meissner.

Även om dynamiken ännu inte är förstått, det schema som professorerna Meissner och Nicolai föreslagit gör specifika förutsägelser. Det håller antalet spin 1/2 fermioner som i standardmodellen men antyder å andra sidan förekomsten av nya partiklar med mycket ovanliga egenskaper. Viktigt, åtminstone några av dem kan finnas i vår omedelbara omgivning, och deras upptäckt bör ligga inom möjligheterna för modern detekteringsutrustning. Men det är ett ämne för en separat berättelse.