Η υπερσυμμετρία θα μπορούσε να φανεί στα υπέρψυχρα άτομα

Πηγή: physicsworld, 18 Μαρτίου 2008

Φυσικοί στην Κίνα και τις ΗΠΑ έχουν προτείνει έναν τρόπο για να χρησιμοποιήσουν ένα μίγμα υπέρψυχρων ατόμων με σκοπό να μελετήσουν την υπερσυμμετρία - μια ιδέα που συνδέεται συνήθως με τη σωματιδιακή φυσική.

Η ομάδα έχει υπολογίσει ότι μια διέγερση όμοια με αυτήν του Goldstino πρέπει να εμφανίζεται σε μίγματα μποζονίων και φερμιονίων ως αποτέλεσμα του σπασίματος της υπερσυμμετρίας. Ενώ οι ερευνητές αναγνωρίζουν ότι αυτήν την περίοδο δεν είναι πιθανό να ανιχνεύσουν τη διέγερση, θεωρούν όμως ότι οι πρόοδοι στα πειράματα των υπέρψυχρων ατόμων θα μπορούσαν να κάνουν πιθανή τη μελέτη της υπερσυμμετρίας στα ατομικά μίγματα. Και ισχυρίζονται ότι αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια καλύτερη κατανόηση των θεμελιωδών ιδιοτήτων των υποατομικών σωματιδίων.

Υπερεταίροι για όλα

Όλα τα γνωστά υποατομικά σωματίδια είναι είτε φερμιόνια (έχοντας  ημι-ακέραιο σπιν) είτε μποζόνια (έχοντας ακέραιο σπιν). Για κάποιους λόγους φαίνονται να υπάρχουν περισσότεροι τύποι φερμιονίων στον Κόσμο από ό,τι μποζόνια. Αυτό δεν φαίνεται και πολύ σωστό σε μερικούς φυσικούς που θεωρούν ότι ο Κόσμος θα μπορούσε να έχει υπερσυμμετρία, στην οποίο κάθε φερμιόνιο έχει το αντίστοιχο "υπερεταίρο" (ή υπερσυνεργάτη) του, που είναι μποζόνιο - και αντίστροφα. Μια ελκυστική συνέπεια της υπερσυμμετρίας είναι ότι θα μπορούσε να βοηθήσει στην ενοποίηση της ηλεκτρασθενούς και της ισχυρής δύναμης της φύσης σε μια δύναμη "ηλεκτρο-ισχυρή" - κάτι που οι φυσικοί αγωνίζονται να πετύχουν επί δεκαετίες.

Ενώ οι φυσικοί δεν έχουν δει ποτέ στην πράξη ένα υπερεταίρο σωματίδιο, μερικοί είναι αισιόδοξοι ότι θα μπορούσαν να αποκαλυφθούν στις υψηλές ενέργειες στο νέο επιταχυντή LHC του CERN.

Σπάσιμο υπερσυμμετρίας

Τα άτομα είναι επίσης είτε μποζόνια είτε φερμιόνια - και αυτό έχει εμπνεύσει τον Yue Yu της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών στο Πεκίνο και τον Kun Yang του πολιτειακού πανεπιστημίου της Φλώριδας, να προτείνουν έναν τρόπο να χρησιμοποιηθούν μίγματα και των δύο τύπων ατόμων για να μιμηθούν πώς σπάει η υπερσυμμετρία. Άρχισαν με τις εξισώσεις που περιγράφουν ένα σύστημα που περιέχει μεγάλους αριθμούς ενός τύπου φερμιονίου και ενός τύπου μποζονίου. Η υπερσυμμετρία εισάγεται χρησιμοποιώντας μαθηματικούς τελεστές που μετατρέπουν τα φερμιόνια σε μποζόνια και αντίστροφα.

Οι Yu και Yang υπολόγισαν ότι η χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση ενός τέτοιου συστήματος δεν περιέχει κανένα φερμιόνια ή ακριβώς μόνο ένα φερμιόνιο - με άλλα λόγια, υπάρχει ένα αυθόρμητο σπάσιμο της υπερσυμμετρίας, που μετασχηματίζει σχεδόν όλα τα φερμιόνια σε μποζόνια.

Αυτό συμβαίνει επειδή όλα τα μποζόνια στο σύνολο τους είναι σε θέση να καταλάβουν τη χαμηλότερη κβαντική ενεργειακή κατάσταση, ενώ η κβαντομηχανική επιτρέπει μόνο σε ένα φερμιόνια ανά κατάσταση - αναγκάζοντας τα φερμιόνια να καταλάβουν υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις. Κατά συνέπεια, η ενέργεια του συστήματος αυξάνεται εάν τα μποζόνια μετατρέπονται σε φερμιόνια, αλλά μειώνεται εάν εμφανίζεται το αντίθετο. 

Χημικό δυναμικό

Οι Yu και Yang μελέτησαν, επίσης, ένα πιο περίπλοκο σύστημα στο οποίο εισήχθη μια "χημική διαφορά δυναμικού" για να αντισταθμίσει την κλίση προς τα μποζόνια, που έκανε ένα ευνοϊκό περιβάλλον για να υπάρχουν περισσότερα από ένα φερμιόνια.

Και στις δύο περιπτώσεις ήταν σε θέση να δείξουν ότι το σπάσιμο της υπερσυμμετρίας οδηγήθηκε σε μια συλλογική διέγερση του συστήματος, που λέγεται μέθοδος Goldstone. Αυτή η διέγερση συμπεριφέρεται ακριβώς σαν ένα φερμιόνιο σωματίδιο, το οποίο λέγεται "Goldstino". Παρόμοια Goldstino αναμένεται επίσης να προκύπτουν και στη σωματιδιακή φυσική ως αποτέλεσμα του σπασίματος της υπερσυμμετρίας.

Απότομη κορυφή

Και το σπουδαιότερο είναι ότι οι Yu και Yang έχουν υπολογίσει ότι το σωματίδιο Goldstino πρέπει να οδηγεί σε μια απότομη κορυφή στο ενεργειακό φάσμα του μοναδικού φερμιονίου, που είναι μαζί με έναν μεγάλο αριθμό μποζονίων - κάτι που θα μπορούσε σε γενικές γραμμές να φανεί σε μια συλλογή υπέρψυχρων ατόμων,  που παγιδεύονται μέσα σε μια οπτική παγίδα. Πιστεύουν ότι η κορυφή θα μπορούσε να προσδιοριστεί επειδή θα παρέμενε απότομη στις θερμοκρασίες πάνω από το απόλυτο μηδέν, αντίθετα από άλλα χαρακτηριστικά στο ενεργειακό φάσμα που θα πλάταιναν με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Ενώ δεν υπάρχει αυτήν την περίοδο κανένας τρόπος να παρατηρηθεί το ενεργειακό φάσμα ενός μοναδικού φερμιονίου σε ένα ψυχρό αέριο μποζονίων, η ομάδα είναι αισιόδοξη ότι κάποιες νέες τεχνικές, όπως η φασματοσκοπία κατά Raman μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον για να ανιχνεύσουν τα Goldstinos.

Ενώ οι Yu και Yang έχουν δείξει ότι μπορεί να είναι δυνατό να προσομοιώσουν τα αποτελέσματα στο σπάσιμο της υπερσυμμετρίας σε ένα ψυχρό ατομικό αέριο, ο Andrew Cohen ένας φυσικός σωματιδίων στο πανεπιστήμιο της Βοστώνης προειδοποιεί ότι δεν είναι σωστές τέτοιες αναλογίες. Είπε δε ότι είναι δυνατά διάφορα είδη υπερσυμμετρίας, κι έτσι το είδος της υπερσυμμετρίας που μπορεί να φανερωθεί στη φυσική συμπυκνωμένης ύλης δεν είναι απαραιτήτως η ίδια με αυτήν της φυσικής σωματιδίων.

Επιπλέον, ο Cohen επισημαίνει ότι ακόμα κι αν τα ψυχρά άτομα είχαν ίδια υπερσυμμετρία με αυτήν που διαδραματίζει έναν ρόλο στη φυσική σωματιδίων, η κατανόηση των ψυχρών ατόμων μπορεί να μην ρίξει απαραιτήτως κάποιο φως στα θέματα της φυσικής σωματιδίων. Τέλος, επισήμανε ότι ενώ μερικές διαδικασίες στη φυσική σωματιδίων εμφανίζονται με την περιστροφική συμμετρία, υπάρχουν ελάχιστα που μπορούν να μάθουν οι φυσικοί σωματιδίων από τη μελέτη των σφαιρών του μπόουλινγκ, παραδείγματος χάριν, οι οποίες έχουν επίσης περιστροφική συμμετρία.

Ταξινόμηση των στοιχειδών σωματιδίων

Δύο τύποι στατιστικής χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τα στοιχειώδη σωματίδια και, επίσης, τα σωματίδια ταξινομούνται βάσει της στατιστικής που υπακούουν. Η στατιστική Fermi-Dirac ισχύει για αυτά τα σωματίδια που περιορίζονται από την Απαγορευτική Αρχή του Pauli: τα σωματίδια που υπακούουν στη στατιστική Fermi-Dirac είναι γνωστά ως φερμιόνια. Τα λεπτόνια (ηλεκτρόνιο, μιόνιο, ταυ και τα τρία είδη νετρίνων) καθώς και τα κουάρκ - φυσικά με τα αντισωματίδια τους - είναι φερμιόνια. Δύο φερμιόνια δεν επιτρέπονται να καταλάβουν την ίδια κβαντική κατάσταση.

Η στατιστική Bose-Einstein από την άλλη ισχύει για όλα τα σωματίδια που δεν καλύπτονται από την Απαγορευτική Αρχή, και τέτοια σωματίδια είναι γνωστά ως μποζόνια. Ο αριθμός των μποζονίων σε μια δεδομένη κβαντική κατάσταση δεν είναι περιορισμένη. Γενικά, τα φερμιόνια συνθέτουν τους πυρήνες και τα άτομα, ενώ τα μποζόνια παίζουν το ρόλο του διαδότη (μεταβιβαστή) των δυνάμεων μεταξύ των φερμιονίων: τέτοια σωματίδια είναι το φωτόνιο, τα γκλουόνια και τα σωματίδια W και Z.

Οι βασικές κατηγορίες των σωματιδίων έχουν διακριθεί, επίσης, σύμφωνα και με μια άλλη συμπεριφορά των σωματιδίων. Τα ισχυρά αλληλεπιδρώντα σωματίδια ταξινομήθηκαν είτε ως μεσόνια είτε ως βαρυόνια: γνωρίζουμε ότι τα μεσόνια αποτελούνται από ένα ζεύγος κουάρκ-αντικουάρκ και ότι τα βαρυόνια αποτελούνται από τρία κουάρκ. Τα μέλη της κατηγορίας των μεσονίων είναι πιο βαριά από τα λεπτόνια αλλά γενικά λιγότερο βαριά από το πρωτόνιο και το νετρόνιο, αν και μερικά μεσόνια είναι βαρύτερα και από αυτά τα σωματίδια. Τα ελαφρύτερα μέλη της κατηγορίας των βαρυονίων είναι το πρωτόνιο και το νετρόνιο, και τα βαρύτερα μέλη είναι γνωστά ως υπερόνια.

Στην κατηγορία των μεσονίων και βαρυονίων συμπεριλαμβάνονται ένας αριθμός διαφόρων σωματιδίων, που δεν μπορούν να ανιχνευτούν άμεσα επειδή η διάρκεια ζωής τους, είναι τόσο σύντομη που δεν αφήνουν κανένα ίχνος στο θάλαμο φυσαλίδων. Αυτά τα σωματίδια είναι γνωστά ως καταστάσεις συντονισμού, λόγω μιας αναλογίας μεταξύ του τρόπου δημιουργίας τους και του συντονισμού ενός ηλεκτρικού κυκλώματος.

Το μοντέλο περιλαμβάνει για κάθε γνωστό σωματίδιο (δείτε τον κάτω πίνακα) έναν υπερσυμμετρικό εταίρο. Η τρέχουσα θεωρητική ερμηνεία για την απουσία των υπερσυμμετρικών εταίρων δέχεται ότι αυτά εξαφανίστηκαν πολύ νωρίς στα πρώτα στάδια της γέννησης του σύμπαντος.

Home