Éterová teorie a supersymetrie

neděle 15. listopad 2009 03:19

O supersymetrii (zkráceně SUSY) se v poslední době často mluví v souvislosti teorií strun a jejím důkazu na urychlovači LHC. Jde však o spinorové rozšíření kvantové mechaniky, které je na strunové teorii zcela nezávislé a původně bylo navrženo pro teorii tzv. kvantové elektrodynamiky (QED) ruskými fyziky Golfandem a  Likhtmanem (a v důsledku tehdejší izolace zemí východního bloku nezávisle na nich Gervaisem a Sakitou a dalšími) - je to tedy model již téměř 40 let starý a dnes je nedílnou součástí tzv. Standardního modelu částic. Strunaři často rádi prezentují potvrzení supersymetrie na urychlovači LHC jako důkaz své teorie - skutečnost je ale taková, že na tento výsledek čekají teoretici i celé řady dalších kvantových teorií pole.

Objevitelé supersymetrie Vjačeslav Soroka (vlevo), Evgenij Lichtmann a Vladimir Akulov

V éterové teorii lze pro vysvětlení supersymetrie použít stejný model šíření vln na vodní hladině, jako pro vysvětlení tzv. temné hmoty - je to vlastně aplikace modelu vzniku temné hmoty na mikroskopická měřítka. SUSY model se také často v souvislosti s teoriemi temné hmoty zmiňuje, jak o tom napíšu někdy později. Ve stručnosti jde o toto: drobné vlnky se po vodní hladině šíří jako tzv. příčné, nebo tzv. kapilární vlny, které využívají povrchové napětí vody. Ty se však postupně rozptylují a zanikají - místo nich se od určité vzdálenosti šíří energie v podobě podélných vln, které se šíří ve větším počtu rozměrů mnohem vyšší rychlosti, protože jde vlastně o vlny zvukové.

Rozptylování energi do dalšího rozměru pod hladinou se projevuje zhušťováním vln

Pokud se podíváme na geometrii šíření obou druhů vln, vidíme, že zatímco příčné vlny kmitají kolmo na vodní hladinu (odtud mají svůj název), podélné vlny kmitají rovnoběžně s ní: v důsledku rozptylu energie na částicích vody došlo k natočení roviny kmitů o 90 ° při šíření energie na větší vzdálenost. V relativistické fyzice je toto natočení spojené s posunutím známo jako tzv. Poincarého transformace. Důležité je, že toto natočení se neprojevuje jen při zvětšování měřítka, ale i při jeho zmenšování - rychlost kapilárních vln s klesající vlnovou délkou roste stejně, jako při jejím zvětšování, protože velmi drobné vlnky se rozptylují fluktuacemi vody, způsobené Brownovým pohybem molekul.

Vidíme tedy, že při šíření povrchových vln, které v našem příkladu slouží jako model částic energie se energie na obou okrajích spektra vlnových délek rozptyluje do většího počtu rozměrů, tedy fluktuací hustoty vody pod hladinou, které lze v našem příkladu považovat za částice hmoty. Každé částici energie lze tedy přiřadit určité částice hmoty, které buďto vznikají jejím rozptylováním, nebo naopak se na nich energie rozptyluje (v éterové teorii, kde se každá energie šíří velkým obloukem zpět jde o jedny a tytéž částice). Tyto částice se označují jako tzv. supersymetrický partner (superpartner). V teoretické fyzice se pro ně nevymýšlejí nová jména, ale označují se předponou s- nebo příponou -ino. Např. supersymetrický partner k elektronu je tzv. s-elektron, čili tzv. elektrino tvořící elektricky neutrální částici energie, čili boson. Supersymetrický partner fotonu by měl být tzv. s-foton, neboli také fotino - to by mělo naopak tvořit elektricky nabitou částici hmoty. Vírový kroužek fotonů tvořící záblesky gamma záření by mohl být stabilizován právě fotiny.

Vznik supersymetrických částic a jejich geometrii lze dobře sledovat v uspořádání, kdy se rozptyl energie významně uplatňuje: např. při šíření tzv. vírového kroužku, který vznikne např. krátkým rychlým vyfukováním dýmu z cigarety nebo dýmky. Při nízké rychlosti je vzniklý kroužek velmi pravidelný, ale při rychlejším vyfukování se na něm objevují parazitní vibrace a posléze dceřinné/parazitní víry, které se hromadí po jeho obvodu (tzv. nestabilita Widnallové). Velikost obou generací vírů je svázána tzv. T-dualitou (T od slova torus, čili prstenec),  vyjádřenou symetrií R - 1/R: když obvod původního víru klesá, zvětšuje se rozměr dceřinných vírů a naopak, jak znázorňuje animace níže. V důsledku toho by superpartneři lehkých částic, jako je elektron měly být velmi těžké a tudíž nestabilní a naopak. Pro úspěšnou detekci supersymetrických částic je tedy nutné vycházet od velmi těžkých částic, jejichž superpartneři budou lehcí a dostatečně stabilní.

Princip vzniku parazitních vírů lze zobecnit geometrií tzv. supersymetrické grupy, ve které se střídají částice hmoty a energie s postupně se zvyšující hmotou (viz animace níže). Lze tak odvodit jednotlivé generace supersymetrických částic s postupně rostoucí hmotností. V praxi jsou známy tři generace částic, z nichž pouze nejlehčí členy jsou dostatečně stabilní. Např. leptony tvoří tři částice: elektron (který je stálý neomezeně), dále pak tzv. muon (těžký elektron s klidovou hmotností asi 200x větší, ale stálý jen asi dvě mikrosekundy) a konečně pak tzv. tauon (tzv. částice tau, čili supertěžký elektron s klidovou hmotností asi 3.500x vyšší, ale s dobou života jen asi 10-13 sekundy).

Supersymetrický model generací elementárních částic

Stejně jak elektron by i muon a tauon měly při svých vzájemných srážkách tvořit superpartnery: s-muon, čili muoino a částice s-tau, čili tauino. Protože tauon je nejtěžší a nejméně stálý lepton, tauino by mělo být nejlehčí a současně nejvíce stálý superpartner: jeho doba života by mohla pohybovat v sekundách. Takové částice by mohlo být možné v urychlovači detekovat tak, že se srážecí paprsky vypnou: to, co se v detektoru zachytí potom by mělo odpovídat právě vzniklým superčásticím. Ačkoliv fyzici čekají, že nejprve bude objeveno tauino, domnívám se, že mnohem lepší vyhlídky má detekce s-muonů, protože muony samy o sobě jsou stálejší. Ve skutečnosti si dokonce myslím, že již bylo před rokem objeveno na urychlovači Tevatron v americké Fermiho laboratoři v podobě záhadných dvojic muonů, které se občas objevovaly několik centimetrů mimo srážecí trubku urychlovače. Tyto dvojice částic byly pozorovány již dříve v jádrech atomů, a také při energetických srážkách částic s nejvyšší možnou rychlosti (tetraneutron, gluonové koule, pentakvark nebo dvojice top-kvarků).

Vznik superpartnerů by se měl projevit narušením energetické bilance srážky: částice tvořící husté kapky (clustery) mají svou hmotnost sníženou o vazebnou energii způsobenou přítomnými supersymetrickými částicemi. Když se kapka rozpadne, superpartneři v jejím okolí zaniknou a rozplynou se na záření, zatímco zbylé částice budou mít nižší energii: dojde jakoby k požírání energie srážky jako při vzniku malých černých děr. Vazebná energie superpartnerů tvoří povrchové napětí vzniklé částice a stlačuje je k sobě (viz animace níže). Podobný jev můžeme pozorovat v případě malých vodních kapek, uvnitř kterých je relativně vysoký tlak, který lze změřit při jejich nasávání do teflonové nebo silikonové kapiláry - o příslušnou energii jsou molekuly vody uvnitř kapky lehčí.

Při rozpadu párů kvarků energie supersymetrických částic zaniká

Vznik supersymetrických částic je tedy doprovázen spojováním těžkých částic a kvarků do dvojic až do drobných kapek o rozměrech velikosti atomů, tzv. strangeletů. Riziko vzniku strangeletů spočívá v tom, že vysokým tlakem povrchového napětí se současně nestálé částice stabilizují vůči jejich rozpadu - to lze nejsnáze pochopit na příkladu neutronového strangeletu. Neutrony jsou v atomovém jádru relativně stálé částice, nicméně se ve volném stavu během několika minut rozpadají na proton a elektron, čili atom vodíku. Stačováním vodíkových hvězd lze tedy dospět zpátky k neutronům - k tomu dochází v závěrečné fázi jejich gravitačního kolapsu, kdy vzniká tzv. neutronová hvězda. V ní jsou neutrony stabilizovány vůči svému rozpadu gravitační silou.

V jádrech atomu k podobné stabilizaci dochází působením povrchového napětí kapky, kterou tvoří hustá směs protonů a neutronů, které jsou s nimi v rovnováze. Protony se však vzájemně odpuzují, proto neutronů musí být v jádru malý přebytek a navenek je atomové jádro obklopeno obalem elektronů, který vyrovnávají jeho elektrický náboj. Kdybychom v atomu všechny protony nahradili neutrony, vznikl by útvar dozajista mnohem hustší a stabilnější, protože by jej nerozpínaly protony. Ve styku s normálními atomy by taková kapka neutronové kapaliny vytěsňovala z atomového jádra protony a zvětšovala by se tak dlouho, dokud by kapilární tlak přestal neutrony stabilizovat vůči jejich rozpadu na protony a elektrony. Uvolněná energie by mohla neutronové kapky roztříštit a umožnila jim reagovat s dalšími atomovými jádry jakousi řetězovitou reakcí, při které by se normální hmota explozívně měnila na spršku drobných velmi hustých neutronových hvězd, tlakem záření rozmetaných do okolí.

Uvolněná energie svým mechanismem vzniku odpovídá energii, která by se uvolnila při gravitačním kolapsu Země do systému malých černých děr - byla by však o něco menší, protože hustota neutronových hvězd je nižší, než hustota černých děr. Zcela jistě by však byla dostatečná k tomu, aby vymazala planetu Zemi ze sluneční soustavy. Pravděpodobnost řetězového průběhu reakce a uvolnění této energie závisí na tom, jak rychle mohou strangelety reagovat s hmotou, aniž se mezitím samy stihnou vypařit. V tomto ohledu jsou matematické modely současných teorií zcela nedostatečné a k jejich upřesnění by mohly posloužit právě pokusy na dokončovaném urychlovači LHC - problém je v tom, že je testujeme takříkajíc "na ostro", protože vznikající strangelety od planety Země dělí jen několikametrová vzdálenost.

Domnívám se, že zde taháme draka za ocas podobně, jako před šedesáti lety při pokusech s termonukleární fúzí pod vodou. I v tomto případě šlo o vznik větších kapek hmoty, stabilizovaných jejich povrchovým napětím - přebytečná energie se uvolňovala v podobě gamma záření, které svým tlakem oblast fůzní reakce rozmetalo a dostatečně zředilo dříve, než se stačila rozšířit do svého okolí. Podobně jako v případě strangeletů zde působil fakt, že se přivedlo ke vzájemnému spojení dostatečné množství čisté formy hmoty. V éterové teorii to odpovídá mechanismu, kterým se slévají drobné rtuťové kapky: k jejich spojení je zapotřebí přechodné vytvoření tenkého spojovacího krčku se zápornou křivostí, které působí na kapky odpudivou silou. V důsledku toho se systém velmi drobných rtuťových kapiček chová jako třpytivý prášek, který je po omezenou dobu stálý. Pokud však tlakem v nějakém místě kapičky spojíme, uvolněná energie vibracemi způsobí lavinovité propojení dalších kapek a celá struktura se zhroutí.

V éterové teorii viditelná hmota tvoří podobný nestabilní systém kapiček nebo bublinek, vzniklých při prudkém ochlazení po kolizi mnohem větších hmotných útvarů, černých děr a protože jsou silně zakřivené, jen velmi pomalu se samovolně rozpadají na záření. Experimenty v urychlovači jako je LHC se vlastně tento vývoj snažíme urychlit: podnikáme nazdařbůh pokusy se spojováním drobných kapek hmoty uprostřed hromady dalších drobných kapiček a doufáme přitom, že nám to projde bez následků. Jak jsem však naznačil výše, již při řadě experimentů na předchozích generacích urychlovačů byl pozorován vznik clusterů mnoha známých druhů částic - lze tedy očekávat, že jsme se svými technologickými možnostmi dostali již poměrně blízko fázovému přechodu hmoty do podoby strangeletů.

Problém je v tom, že formálně uvažující fyzici toto riziko nevnímají - řada z nich například buďto neví o spojení existence strangeletu a superčástic či supersymetrie, nebo toto spojení před veřejností úspěšně zamlčují - a zcela určitě je nezahrnují do výpočtů bezpečnosti experimentů na LHC. Díky tomu nemá lidská civilizace nad dalším vývojem experimentů na LHC prakticky žádnou kontrolu, ač sami sebe přesvědčujeme o opaku: od spuštění LHC nás již dělí jen několik dní. Konečný důkaz supersymetrie by se tak pro naši civilizaci mohl stát jejím úspěchem zcela posledním.  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

PbcWFGmxmcIrqEJYaKxxozAVmX02:3125.7.2011 2:31:47
MlqOYXwPIhAPpxicqjgomdeji03:0520.7.2011 3:05:20

Počet příspěvků: 2, poslední 25.7.2011 2:31:47 Zobrazuji posledních 2 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik