Fundamental fysik bloghoved

Slipper vi nogensinde af med supersymmetri?

For visse dele af partikelfysik har den seneste måneds tid nok budt på lidt af af følelsesmæssig rutsjebanetur. (Jeg siger visse dele fordi det jeg selv laver ikke har specielt meget med nye partikler at gøre, men naturligvis følger jeg det, hører efter når rygterne går, og synes det er spændende!) Så vidt jeg har kunnet forstå rygtemøllen, begyndte det at gå op for folk for et par måneder siden at der nok ikke var noget bump ved 750 GeV alligevel. Selvom de der har siddet med tingene naturligvis har skullet holde tæt (prøv at holde på en hemmelighed i en organisation med 4000 mennesker plus det løse...), begyndte det nok for de fleste at stå klart i begyndelsen af sommeren, at noget ikke var som det skulle være - for hvorfor havde der så ikke været nogen pressekonference, der skulle afsløre den nye partikel?

Ingen partikel, men adskillige hundrede preprints om hvordan nogens teori sagtens kunne forudsige netop dén partikel - så er der nok nogen der står med håret i postkassen, tænker man. I lyset af, at der nok ikke er nogen partikel ved 750 GeV, tænkte jeg at det kunne være interessant at se lidt på hvad der sker med de teoretiske forudsigelser der er gjort om den det sidste års tid. Man skulle jo tro at de teorier der præsenteres i alle de preprints nu har et problem.

Måden ny fysik oftest introduceres på er følgende: 1) Et nyt, basalt fysisk princip introduceres, på en matematisk form kaldet 'symmetri'.

2) Det nye princip introducerer en ny type partikel, der kan henfalde til de allerede eksisterende partikler.

3) Man går nu i gang med at udregne hvor ofte dette sker - dette er den nye teoris såkaldte 'fænomenologi'.

Teoriens fænomenologi er ikke fuldstændigt bestemt på forhånd. Der er ofte en række parametre der kan ændres, eller principper der kan tweakes. Dette sker helt automatisk når man begynder at tænke på virkeligheden: Enhver ny teori må nemlig kunne reproducere alle Standardmodellens resultater, ud over at give os noget nyt. Standardmodellen er nemlig så velafprøvet eksperimentelt, at det ikke ville give nogen mening at konstruere en teori der ikke kan reproducere den.

Når den nye teori kan reproducere Standardmodellen, er de mulige værdier for teoriens parametre ofte begrænset en smule, men ikke helt. Nu kan man så gå i gang med at tænke på næste intermezzo med virkeligheden: Hvis denne nye teori virkelig er rigtig, hvorfor har man så ikke set dens partikler endnu? Dette bliver som regel løst med ét af to kunstgreb. Det mest normale er at gøre de nye partikler meget tunge. På den måde har vi ikke opdaget dem endnu, fordi vi ikke kan kollidere med høj nok energi. Denne øvelse kan fortsættes indtil næsten arbitrært høje masser (der er en grænse - put 'planck scale' ind i Google for at læse om det). Da partiklers masser aldrig er forudsagt af teorien, men bare er en parameter, er det eneste denne øvelse gør, at begrænse parameterrummet for teorien yderligere. Den anden mulighed er at skrue på de nye partiklers kobling til Standardmodellens partikler (koblingen er den rate partiklerne henfalder til Standardmodellens med). Den kan gøres forsvindende lille, eller nul. Hvis man holder de nye partiklers masser på niveau med Standardmodellens, men sætter koblingen lig nul, ender man med en såkaldt 'hidden valley'-teori. Det betyder at der eksisterer en masse partikler, som er 'gemt' for os i eksperimenter, men som vil have en fælles 'stamfader' med Standardmodellens partikler. Det er smart, for så får man løst problemet med mørkt stof, der netop er karakteristisk ved at det bare har en masse, men ikke kan ses i partikeleksperimenter.

En af de mere populære teorier for ny fysik er - som nævnt i overskriften - den der kaldes supersymmetri. Jeg skal ikke gå i detaljer med konstruktionen af den, men den har væsentligt flere end de to ovennævnte parametre at skrue på. På denne måde er det ikke noget problem for den nye teori at der alligevel ikke var en partikel ved 750 GeV. Man kan bare skrue på parametrene.

Men har teorien så ikke et større problem? Hvis man ikke kan producere en håndfast forudsigelse, kunne man jo argumentere for at det mere blev en slags leg med tal, end fysik, der jo handler om virkeligheden. Jeg mener det er mere frugtbart at anskue supersymmetri (og flere andre af de populære teorier) på en lidt anderledes måde. I stedet for at være 'en teori', skal man snarere se det som et framework til at bygge teorier. Man kan bruge sit framework til at bygge en ny teori, som siden kan blive afkræftet af et eksperiment. Langt sværere er det at bevise at frameworket - og dermed alle de teorier der kan bygges med det - er forkert. Man kan sandsynliggøre det ved at vise at rigtig mange af de teorier der kan bygges med det er forkert, men alle når man nok aldrig. Hvis man for alvor skal slippe af med supersymmetri, er man nok nødt til at finde bevis for at en anden teori for ny fysik er korrekt.

Er alt det arbejde der lægges i supersymmetri fra eksperimenternes side så ikke lidt spildt? Et eksperiment som ATLAS søger efter dusinvis af forskellige afarter af supersymmetri, og med ovenstående argument in mente kunne man jo sagtens tænke at sandsynligheden for at det er netop 'din' afart der er den rigtige er forsvindende. Det er for så vidt rigtigt (og grunden til at jeg selv nok aldrig kommer til at arbejde med supersymmetri), men der er også rigtigt positive ting ved arbejdet. Ligegyldigt hvilken afart (hvis nogen) af ny fysik der viser sig at være korrekt, har de fleste en eksperimentel signatur der ligner hinanden meget. Tænk igen på de to måder man kan ændre en teoris parametre på. Hvis vi har en partikel med høj masse, der kan henfalde til Standardmodellens, vil vi få et 'bump' i kurverne, akkurat som 750 GeV-bumpet. Det kan godt være at den første fortolkning af bumpet vil være fysisk ukorrekt, men der skal nogen til at lede, hvis man gerne vil finde. Hvis vi på den anden side har partikler med høj masse der henfalder til hidden valley partikler, vil man få en masse sammenstød hvor impulsbevarelse tilsyneladene er brudt, fordi der er en del af partiklerne man ikke ser. På den måde kan man genkende partikler der forsvinder.

Afslutningsvis vil jeg nævne nogle af alle de mange dommedagsprofetier for feltet partikelfysik som sådan, givet at man ikke finder nogen ny partikel. Man hører ofte at hvis LHC ikke finder noget nyt, bliver det svært at få penge til et nyt eksperiment. Her tror jeg man skal slå koldt vand i blodet. Jeg har stor tiltro til menneskehedens nysgerrighed, og heldigvis er det sådan, at der også ved lavere energier, stadig er mange ting vi ikke har forstået fuldt ud.

Christian Bierlich er teoretisk partikelfysiker og er i gang med en ph.d. ved Lund Universitet. Han skriver om stort og småt fra fysikkens verden.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Det virker som om, det hele bare er regneøvelser for regneøvelsernes (og de der regner på dems) egen skyld. Man konstruerer en teori baseret på en partikel og vedtager, at grunden til at vi ikke har set partiklen er at den gemme sig i høstakken. Så slipper man behændigt for at blive stille til regnskab for at partiklen ikke findes. For den findes jo, den har bare gemt sig. Man vil aldrig nogensinde kunnebevise ikke-eksistensen af den.

Hvorfor er det, at man er så interesseret i at komme af med standardmodellen, at man finder på disse teoretiske krumspring og bruger milliarder af kroner? Er standardmodellen ikke en udmærket forklaring? Måske der er en med tilstrækkeligt viden, der kan forklare det, så en som mig med hobbyinteresse i emnet kan forstå det.

  • 2
  • 2

Hej Martin,

Det er et rigtig godt spørgsmål! Der er en række grunde til at man mener at Standardmodellen er nødt til at bryde sammen på et tidspunkt. Spørger du mig, er den vigtigste grund at vi gerne vil bygge en bro mellem det astronomerne ser i observationer af verdensrummet, og det partikelfysikerne ser ved LHC. En af de mest fundamentale søjler i fysik er nemlig at det må og skal være den samme fysik der gælder i verdensrummet og på jorden. Astronomerne har observeret at universet består mestendels af hvad de kalder mørkt stof (lad os se bort fra mørk energi her...). Det er stof der skal have en masse på samme måde som Standardmodellens partikler, men som ikke interagerer stærkt nok med dem til at vi kan se dem. Kort sagt vil vi gerne kunne producere det mørke stof i et laboratorium, og have en teori der samtidig kan forklare det.

Der findes også andre grunde, men jeg finder klart at den ovenstående er den vigtigste. Du kan se en liste her: https://en.wikipedia.org/wiki/Physics_beyo...

  • 8
  • 0

Hej Casper,

Det synes jeg også. Jeg kan ikke finde nogen artikler af ham om hans teori, til gengæld har han en hjemmeside hvor han er ret opsat på at sælge sin bog: http://einsteinsintuition.com/. Hans forklaring på den side af hvad det egentlig handler om, læser mest som en art avanceret bullshit-bingo for mig.

  • 2
  • 0

Manden bag denne TOE, Thad Roberts, har jo gjort sig noget uheldig bemærket, det eneste menneske der hidtil har haft held til at stjæle noget af månen: https://en.wikipedia.org/wiki/Thad_Roberts

Men derfor kan manden jo godt være en udmærket fysiker!

For øvrigt en stor tak til Christian Bierlichs for hans altid interessante og fremragende indlæg.

Med venlig hilsen Flemming Hougaard Nielsen

  • 3
  • 0

Flemming, det faldt jeg også over da jeg prøvede at google ham - om ikke andet er der en historie der er en Hollywood-film værdig!

Og tusind tak for de pæne ord!

  • 3
  • 0

Nok ikke lige med det første, også selvom der ikke findes supersymmetriske partikler. Dette er pga., at meget af den teoretiske forskning som foregå i amplitudeområdet er afhængige af de forsimplede modeller som supersymmetri giver adgang til. Specifikt N=4 supersymmetri. Derudover er der nogen hints til, at der er nogen underliggende symmetrier som vi endnu ikke kender. Et eksempel er det faktum, at QCD-amplituder (quarker og gluoner) i den rene Yang-Mills teori (standardmodellen) overholder de såkaldte Super-Ward identiteter, som er identiteter mellem supersymmetriske amplituder. Dette er selvom den rene Yang-Mills teori ikke kender noget til supersymmetri. Ganske kort er det netop et framework hvor mange matematiske koncepter kan efterprøves. Og så længe det giver resultater er da nok ikke nogen som bare kaster det ud med badevandet.

  • 0
  • 0

Hej Rasmus,

Jeg er bestemt enig i at SUSY er interessant teoretisk. Men det kan den også stadig være selvom man ikke aktivt søger eksperimentelt efter den. Hvis man kigger på hvor meget energi f.eks. ATLAS bruger på at lede efter forskellige varianter kunne man vel godt spørge sig selv om noget af den ikke kunne bruges bedre?

  • 2
  • 0

Nu var det ikke for at være uenig med dig. Jeg mener bestemt LHC kan bruges bedre, specielt indenfor effektiv feltteori.

Men, SUSY, specielt indenfor den masseløse grænse i QCD er meget interesant fra et teoretisk synspunkt. Twistor space, spinor-helicity og lignende konstruktioner kan være medvirkende en meget bredere forståelse af amplituder generelt. Og det at kunne udregne dem i "simple" (dvs. det er allerede svært, det er bare det nemmeste af de svære tilfælde) er en stor hjælp.

Jeg tror ikke vi er uenige, jeg tror bare ikke vi slipper for SUSY lige med det samme.

-mvh Rasmus

  • 0
  • 0

Jeg kan ikke lade være med at kommentere.

"Specifically it assumes that the superfluid vacuum is constructed from quanta that are in turn constructed (via self-similarity and scale invariance) from subquanta, and so on ad infinitum."

Dette bør alle dage være et hint. Det siger direkte, at der ikke er en mindste energitilstand. Det kan ikke lade sig gøre hvis en partikel har endelig energi.

-mvh Rasmus

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten