«Пока что никто не обнаружил суперсимметрию в нашей Вселенной, в том числе на Большом адронном коллайдере (LHC)», – сказал младший специалист Института теоретической физики им. Кавли (KITP) UCSB. Он имеет в виду подземную лабораторию в Швейцарии, где в 2012 году был обнаружен знаменитый бозон Хиггса. "Это свежий взгляд на то, как суперсимметрия возникает в природе."Результаты исследования Гровера, проведенного с коллегами Донной Шенг и Ашвином Вишванатом, опубликованы в текущем онлайн-выпуске журнала Science.
Фундаментальные составляющие вещества – электроны, кварки и их родственники – это фермионы. Частицы, связанные с фундаментальными силами, называются бозонами. Несколько десятилетий назад физики выдвинули гипотезу, что каждый тип частиц в Стандартной модели физики элементарных частиц, теории, которая фиксирует динамику известных субатомных частиц, имеет одного или нескольких суперпартнеров – других типов частиц, которые обладают многими из тех же свойств, но отличаются решающим образом.
Если частица является фермионом, ее суперпартнер – бозон, а если частица – бозон, ее суперпартнер – фермион. Это суперсимметрия, постулируемая уникальная теоретическая симметрия пространства.
Хотя Стандартная модель, управляющая обычным миром, не является суперсимметричной, часто предполагается, что более «фундаментальная» теория применима к очень горячим системам, таким как те, которые исследуются в ускорителях частиц высоких энергий, таких как LHC (или ускорителях более высоких энергий, которые еще предстоит построен), может демонстрировать суперсимметрию. Это еще предстоит доказать или опровергнуть экспериментами на ускорителях.
Однако своими расчетами Гровер и его соавторы показали, что суперсимметрия возникает естественным образом в топологическом сверхпроводнике. Примером является гелий-3, легкий, нерадиоактивный изотоп гелия с двумя протонами и одним нейтроном (обычный гелий имеет два нейтрона).
Когда гелий-3 охлаждается почти до абсолютного нуля (0 Кельвина), он становится жидким сверхпроводником. Как стало известно совсем недавно, на границе его контейнера находятся фермионы.
«Причина, по которой существуют эти фермионы, связана с симметрией обращения времени, которая не связана с суперсимметрией», – сказал Гровер. Видео, на котором объект подбрасывается вертикально вверх, является хорошим примером симметрии обращения времени. Когда видео воспроизводится, он показывает объект, движущийся в воздухе по той же параболической траектории, что и при обычном воспроизведении видео. «Мы хотели посмотреть, что произойдет с этими фермионами, когда будет нарушена симметрия относительно обращения времени», – объяснил Гровер.
Ученые предположили, что приложение определенного количества магнитного поля к поверхности контейнера нарушит симметрию обращения времени.
Это, в свою очередь, привело бы к исчезновению фермионов из-за их взаимодействия с бозонами, которые уже существуют в жидком гелии-3. Гровер и его соавторы обнаружили, что прямо в момент, когда фермионы вот-вот исчезнут, фермионы и бозоны ведут себя как суперпартнеры друг друга, обеспечивая, таким образом, аналог суперсимметрии в конденсированной среде.
По словам физиков, если суперсимметрия может быть доказана в экспериментах с высокими энергиями, это откроет дверь к ответам, которые физики искали годами, и может проложить путь для анализа и даже интеграции различных фундаментальных физических теорий, таких как квантовая теория поля, теория струн. и относительность Эйнштейна.
«Команда Гровера показывает, что суперсимметрию можно изучать в экспериментах с низкими энергиями», – сказал профессор физики Леон Баленц, коллега Гровера из KITP. "Это было бы потрясающе само по себе и могло бы служить недорогой настольной моделью того, что нужно искать в ускорителях частиц."
«Наша статья дает представление о том, как и в каких системах суперсимметрия может возникать очень естественным образом», – сказал Гровер. "Может быть, этого не существует в нашей реальной Вселенной, но существуют эти системы конденсированной материи, такие как топологические сверхпроводники, где может существовать суперсимметрия. Это открывает перед экспериментаторами возможность протестировать суперсимметрию и ее захватывающие последствия в реальной жизни."