SUPER- SYMMETRIA Robert Wilsonin Broken Symmetry (rikkoutunut symmetria) Fermilabissa USA:ssa Teemu Löyttinen & Joni Väisänen Ristiinan lukio 2008
1. Sisällysluettelo 2. Aineen rakenteen standardimalli 3. Supersymmetrian perusteet 4. Supersymmetrian etuja 5. Superhiukkasten kokeellinen etsintä 6. Lähteet Sisällysluettelo
Aineen rakenteen standardimalli Hiukkasfysiikan standardimalli on menestyksekäs teoria, joka kuvaa alkeishiukkasia ja niiden vuorovaikutuksia. Standardimalli kehitettiin nykyiseen muotoonsa 1970-luvun alussa ja se on sopusoinnussa kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian kanssa. Standardimalli on kokeellisesti testattu päteväksi, mutta siinä on joitakin puutteita. Se ei esimerkiksi selitä gravitaatiovuorovaikutuksen syntyä. Standardimalli käsittää alkeishiukkaset eli fermionit ja bosonit. Fermioneja kutsutaan ainehiukkasiksi ja niitä ovat kvarkit ja leptonit. Fermionien spin on puoliluku (1/2, 3/2, jne). Bosonit ovat vuorovaikutusten välittäjähiukkasia ja niiden spin on kokonaisluku. Spin on hiukkasten ominaisuus, jonka lähin klassinen analogia on sisäinen pyörimismäärä. Hiukkanen ei kuitenkaan todellisuudessa pyöri, koska sillä ei ole ulottuvuuksia. Kvarkit eivät koskaan esiinny yksin vaan ne yhdistyvät hadroneiksi. Hadroneita ovat kolmesta kvarkista muodostuvat baryonit sekä kvarkista ja antikvarkista muodostuvat mesonit. Baryoneja ovat esimerkiksi protoni (uud) ja neutroni (udd). Hadronit ovat erikoisia hiukkasia, koska vain pieni osa niiden massasta koostuu niiden rakenneosista. Suurin osa hadronien massasta koostuu niiden energiasta yhtälön E=mc² mukaan. Standardimallin hiukkaset taulukoituna:
Jokaisella standardimallin ainehiukkasella on vastaava antihiukkanen. Hiukkanen ja antihiukkanen ovat samanmassaisia, mutta niiden sähkövaraukset ovat erimerkkiset. Täten varaukseton hiukkanen on itsensä antihiukkanen. Antihiukkasen symbolina käytetään vastaavan hiukkasen symbolia, jonka päälle laitetaan viiva. Esimerkiksi elektronin e antihiukkanen on antielektroni ē, joka on nimetty positroniksi. Antimateriaksi eli antiaineeksi kutsutaan antihiukkasista tehtyä ainetta. Hiukkasen ja antihiukkasen törmätessä tapahtuu annihilaatio, jossa hiukkanen ja antihiukkanen tuhoutuvat ja muuttuvat energiaksi. Kaikki ilmiöt voidaan kuvailla neljän perusvuorovaikutuksen avulla. Niitä ovat vahva, heikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus sekä gravitaatiovuorovaikutus. Vahvan vuorovaikutuksen avulla kvarkit muodostavat protoneita ja neutroneita. Se myös pitää atomiytimet koossa. Heikko vuorovaikutus puolestaan vaikuttaa radioaktiivisissa hajoamisissa. Sähkömagneettinen vuorovaikutus muun muassa sitoo elektronin atomiytimen läheisyyteen. Gravitaatiovuorovaikutus vaikuttaa kaikkiin hiukkasiin, joilla on massa. Standardimalli ei kuitenkaan pysty sitä selittämään. Standardimallin välittäjähiukkasia ovat bosonit joihin kuuluu: Fotoni, sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjä W-bosoni ja Z-bosoni, heikon vuorovaikutuksen välittäjät Kahdeksan erityyppistä gluonia eli vahvan vuorovaikutuksen välittäjää Higgsin bosonit, jotka aiheuttavat muiden hiukkasten massan Standardimallin eräs suurimmista ongelmista on aineen massa. Standardimalli ei selitä miksi joillain hiukkasilla on massa ja toisilla ei. Fyysikko Peter Higgs on kehittänyt teorian, jonka mukaan hiukkaset saavat massan vuorovaikutuksesta higgsin kenttään. Higgsin kentän välittäjähiukkanen on higgsin bosoni, jota ei toistaiseksi olla löydetty. On mahdollista, että higgsin bosoni on massaltaan niin raskas, että nykyisten hiukkaskiihdyttimien energia ei ole riittänyt sen havaitsemiseen. Higgsin bosonin etsiminen on kokeellisen hiukkasfysiikan suurimpia haasteita ja tutkijat ovat toiveikkaita CERNin uuden LHC-kiihdyttimen suhteen. Tietokonesimulaatio, jossa higgsin bosoni hajoaa neljäksi myoniksi Standardimallin puutteita ovat siis gravitaatiovuorovaikutus ja aineen massa. Fyysikot eivät kuitenkaan ole huolissaan näistä puutteista, koska teorioiden mukaiset laskut ja kokeet ovat pitäneet hyvin paikkansa.
Supersymmetrian perusteet Supersymmetria on eräs varteenotettavimpia teorioita täydentämään standardimallia. Supersymmetrian mukaan jokaisella hiukkasella olisi superkumppani eli superpartneri, joka on fermionille samanmassainen bosoni ja bosonille samanmassainen fermioni. Supersymmetria olettaa, että perusteorian yhtälöt pysyvät muuttumattomina, jos fermionien ja bosonien roolit vaihdetaan sopivalla tavalla. Tämä pätee kuitenkin vain yhtälöissä, sillä fermionit ja bosonit käyttäytyvät luonnossa hyvin erilaisesti. Fyysikot Julius Wess ja Bruno Zumino ehdottivat supersymmetriateoriaa alunperin vuonna 1973, mutta se oli vielä kovin puutteellinen. Paremman version supersymmetriasta esittivät Howard Georgi ja Savas Dimopoulos vuonna 1981. Supersymmetrisiä hiukkasia ei ole pystytty havaitsemaan, koska aikaisempien hiukkaskiihdyttimien energia ei ole ollut riittävä. Tutkijat odottavatkin toiveikkaina CERNin uuden suurienergisen LHC kiihdyttimen käyttöönottoa keväällä 2008. Kaaviokuva LHC-kiihdyttimestä ja sen koeasemista
Erikoista supersymmetriateoriassa on se, että se ei perustu kokeellisten tulosten selittämiseen tai teoreettisen epäselvyyden ratkaisemiseen vaan se keksittiin ikään kuin sattumalta. Supersymmetria tuli ilmi standardimallin matemaattisten mallien erikoisominaisuutena. Oletusten mukaan maailmankaikkeudessa on paljon pimeää ainetta. Pimeä aine ei emittoi tai heijasta sähkömagneetista säteilyä, jotta sen voisi havaita, mutta se vaikuttaa tavalliseen aineeseen painovoiman kautta. Pimeä aine saattaa muodostua esimerkiksi supersymmetrian ennustamista LSP-hiukkasista. LSP (lightest supersymmetric partner) tarkoittaa keveintä supersymmetristä hiukkasta. Hiukkaset voivat hajota vain kevyemmiksi hiukkasiksi, joten LSP ei voi hajota eli se on stabiili. Ei ole varmaa tietoa mitkä supersymmetrisistä hiukkasista ovat kevyimpiä, mutta luultavasti niitä ovat joko fotiinot, wiinot, ziinot tai higgsiinot. Kevyimmät hiukkaset tullaan löytämään ensin, koska niiden tuottamiseen tarvitaan vähiten energiaa. CERNin asiantuntijoiden mukaan superpartnereita voidaan löytää LHC-kiihdyttimellä jo ennen higgsin bosonia, mutta varmaa tietoa asiasta ei tietenkään ole. Hiukkasten tunnistaminen perustuu niiden ominaisuuksiin kuten massaan, sähkövaraukseen ja spiniin. Joskus voi kuitenkin olla niin, että kahdella tai useammalla hiukkasella jotkut ominaisuudet ovat samat. Tällöin hiukkaset voivat sekoittua toisiinsa. Esimerkiksi Z-bosonin, fotonin ja neutraalin higgsin bosonin superpartnerit sekoittuvat, ja niitä kutsutaan neutraliinoiksi. Toisen keskenään sekoittuvien hiukkasten ryhmän muodostavat W-bosoni ja sähkövarauksellinen higgsin bosoni, joita kutsutaan varliinoiksi. Supersymmetria on myös vahva ennuste säieteorialle. Säieteoria mahdollistaa standardimallin hiukkasten ja vuorovaikutusten yhdistämisen, kun maailma oletetaan kymmenulotteiseksi. Säieteorian mukaan maailma koostuu pienistä värähtelevistä säikeistä, joiden välillä on vain yhdenlainen voima. Tämä voima käyttäytyy erilailla eri ulottuvuuksissa.
Supersymmetrian etuja Maailmankaikkeuden massasta vain 4% on tavallista ainetta, 23% pimeää ainetta ja loput pimeää energiaa. Pimeä aine havaitaan ainoastaan sen aiheuttaman painovoiman kautta. Pimeän aineen uskotaan koostuvan supersymmetrian ennustamista kevyimmistä superhiukkasista eli LSP-hiukkasista, sillä supersymmetriset hiukkaset vaikuttavat pimeän aineen tavoin vain gravitaation kautta tavallisen aineen kanssa. Koska LSP on kevyin hiukkanen, eikä se siten voi hajota muiksi hiukkasiksi, on sen oltava stabiili, minkä vuoksi pimeä aine voi koostua siitä. Kahden galaksiryhmän törmäys, jossa punainen on tavallista ainetta ja sininen pimeää ainetta Supersymmetria korjaa standardimallin higgsin fysiikkaan liittyvät ongelmat. Standardimallissa higgsin hiukkasen massaa täytyy säädellä, että se pysyy teorian asettamissa rajoissa. Tämä ei ole toimivan teorian kannalta hyvä asia. Supersymmetrian ennustama bosonien ja fermionien välinen symmetria korjaa tilanteen superhiukkasten ollessa massaltaan 1-10TeV/c^2. Standardimalli ei selitä miksi maailmankaikkeudessa on ainetta paljon enemmän kuin antiainetta. Supersymmetria pystyy selittämään aineen ja antiaineen epäsymmetrian, koska supersymmetristen hiukkasten hajoamisissa voi ilmetä aineen epäsymmetrian syntyyn tarvittava CP-rikko. Maailmankaikkeuden laajentuminen Inflaatioteorian mukaan maailmankaikkeus laajeni äärimmäisen nopeasti sen alkuhetkinä. Tuolloin maailmankaikkeus koostui pelkästään energiasta, mikä aiheutti suuren laajenemispaineen. Energia muuttui kaikiksi mahdollisiksi hiukkasiksi, ja tätä tapahtumaa kutsutaan alkuräjähdykseksi. Inflaatioteorian mukaan energia oli kenttien muodossa. Tällaisten kenttien fysikaalista taustaa ei tiedetä, mutta supersymmetrian spinittömät kentät voisivat aiheuttaa inflaation. Supersymmetrian vaikutuksia inflaatioteorialle on kuitenkin vasta vähän tutkittu.
Monet teoriat edellyttävät supersymmetrian olemassaolon. Näistä teorioista tärkeimpiä ovat supergravitaatio, säieteoria ja M-teoria. Supergravitaatioteoriassa yhdistyy supersymmetria ja yleinen suhteellisuusteoria. Säieteorian mukaan maailmankaikkeus koostuu värähtelevistä säikeistä, jotka vaikuttavat kymmenulotteisessa avaruusajassa. Säieteorian mukaan gravitaatio on ainoa voima, joka vaikuttaa maailmankaikkeudessa. Yhdeksästä paikkaulottuvuudesta kolme on muita huomattavasti suurempia ja sen vuoksi näkemämme maailmankaikkeus on kolmiulotteinen. M-teoria koostuu eri säieteorioista, joten se on tähän mennessä laajin teoria, mutta juuri sen takia sen tarkempi tutkiminen onkin vielä mahdotonta. M-teorian maailmankaikkeus koostuu 11 ulottuvuudesta. Supergravitaatio ja säieteoriat tarvitsevat supersymmetriaa sen mahdollistamien lisäulottuvuuksien vuoksi. M-teorian laskelmia
Superhiukkasten kokeellinen etsintä Superhiukkasia ei vielä ole löydetty, vaikka niitä on etsitty CERNissä LEP-kiihdyttimellä ja Fermilabissa. Tämä ei tarkoita, ettei niitä olisi, vaan luultavasti niiden tuottamiseen tarvitaan paljon enemmän energiaa kuin mitä nykyisillä hiukkaskiihdyttimillä on käytössä. CERNissä toukokuussa 2008 käyttöön otettavan LHCkiihdyttimen yhtenä tehtävänä on etsiä supersymmetrian ennustamia hiukkasia. LHCkiihdyttimessä protonit törmäävät toisiinsa 14 TeV:n kokonaisenergialla, mikä on huomattavasti enemmän kuin LEP-kiihdyttimen 120 GeV:n maksimienergia. Jos kiihdyttimessä syntyy supersymmetrisiä hiukkasia, ne hajoavat standardimallin hiukkasiksi ja kevyimmäksi supersymmetriseksi hiukkaseksi (LSP). LSP-hiukkasta ei voida suoraan havaita ilmaisimissa, koska sillä on vain heikkoja vuorovaikutuksia. LSP-hiukkanen vie mukanaan energiaa, joten törmäyksissä havaittava energian puute viittaa LSP-hiukkasten olemassaoloon. LHC:n viimeistelytöitä
Lähteet Kirjallisuus Kane, Gordon 2000: Supersymmetria. Skvarkit, fotiinot luonnontieteiden rajoja etsimässä. Art House Oy, Helsinki. Lehto, Heikki; Havukainen, Raimo; Leskinen, Janna ja Luoma, Tapani Fysiikka 8 - Aine ja säteily, Tammi 2007 Internet http://en.wikipedia.org/wiki/standard_model http://en.wikipedia.org/wiki/higgs_boson http://en.wikipedia.org/wiki/supersymmetry http://en.wikipedia.org/wiki/superpartner www.helsinki.fi/~hitu_kh/perusteet.shtml www.cern.ch www.joensuu.fi/fysiikka/ope/materiaali/hiukkasfysiikka/ http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/part-flash.html http://www-donut.fnal.gov/web_pages/standardmodelpg/thestandardmodel.html