Physiker aus den USA und Südkorea beschrieben ein mögliches Szenario für die Entwicklung des Universums nach dem Urknall, das sich von dem von der Wissenschaft allgemein akzeptierten unterscheidet. Nach diesem Szenario können am Large Hadron Collider (LHC) am CERN keine neuen Elementarteilchen mehr nachgewiesen werden. Ein alternatives Szenario ermöglicht es Ihnen auch, das Problem der Massenhierarchie zu lösen. Forschung auf arXiv.org veröffentlicht
Die Theorie heißt Nnaturalness. Sie wird auf der Skala der Energien in der Größenordnung der elektroschwachen Wechselwirkung nach der Trennung der elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen bestimmt. Dies war ungefähr zehn um minus zweiunddreißig - zehn um minus zwölf Sekunden nach dem Urknall. Dann, so die Autoren des neuen Konzepts, existierte im Universum ein hypothetisches Elementarteilchen - Rechiton (oder Reheaton, aus dem englischen Reheaton), dessen Zerfall zur Bildung der heute beobachteten Physik führte.
Als das Universum kälter (die Temperatur von Materie und Strahlung nahm ab) und flach (die Geometrie des Raums näherte sich dem Euklidischen) wurde, zerfiel das Rechiton in viele andere Teilchen. Sie bildeten Gruppen von Teilchen, die fast nicht miteinander interagieren, fast identisch in der Artenmenge, aber unterschiedlich in der Masse des Higgs-Bosons und daher in ihren eigenen Massen.
Die Anzahl solcher Partikelgruppen, die nach Ansicht von Wissenschaftlern im modernen Universum existieren, erreicht mehrere tausend Billionen. Die vom Standardmodell (SM) beschriebene Physik sowie die in Experimenten am LHC beobachteten Teilchen und Wechselwirkungen gehören zu einer dieser Familien. Die neue Theorie erlaubt es, die Supersymmetrie aufzugeben, die immer noch erfolglos zu finden versucht, und löst das Problem der Hierarchie der Teilchen.
Insbesondere wenn die Masse des durch den Zerfall des Rechitons gebildeten Higgs-Bosons klein ist, ist die Masse der verbleibenden Teilchen groß und umgekehrt. Dies löst das Problem der elektroschwachen Hierarchie, die mit der großen Lücke zwischen den experimentell beobachteten Massen von Elementarteilchen und den Energieskalen des frühen Universums verbunden ist. Zum Beispiel verschwindet die Frage, warum ein Elektron mit einer Masse von 0,5 Megaelektronvolt fast 200-mal leichter ist als ein Myon mit denselben Quantenzahlen, von selbst - im Universum gibt es genau dieselben Teilchensätze, bei denen dieser Unterschied nicht so stark ist.
Nach der neuen Theorie ist das in Experimenten am LHC beobachtete Higgs-Boson das leichteste Teilchen dieses Typs, das infolge des Zerfalls eines Rechitons gebildet wurde. Schwerere Bosonen sind mit anderen Gruppen noch unentdeckter Partikel assoziiert - Analoga der heute entdeckten und gut untersuchten Leptonen (die nicht an starken Wechselwirkungen teilnehmen) und Hadronen (die an starken Wechselwirkungen teilnehmen).
Nima Arkani-Hamed
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Foto: EP-Abteilung / CERN
Die neue Theorie hebt sich nicht auf, macht es jedoch nicht so notwendig, Supersymmetrie einzuführen, was impliziert, dass (zumindest) die Anzahl bekannter Elementarteilchen aufgrund der Anwesenheit von Superpartnern verdoppelt wird. Zum Beispiel für ein Photon - ein Photino, ein Quark - ein Squark, ein Higgs - ein Higgsino und so weiter. Der Spin der Superpartner sollte sich um eine halbe ganze Zahl vom Spin des ursprünglichen Partikels unterscheiden.
Mathematisch werden ein Teilchen und ein Superteilchen zu einem System (Supermultiplett) kombiniert; Alle Quantenparameter und Massen von Teilchen und ihren Partnern fallen in exakter Supersymmetrie zusammen. Es wird angenommen, dass die Supersymmetrie in der Natur gebrochen ist und daher die Masse der Superpartner viel größer ist als die Masse ihrer Teilchen. Um supersymmetrische Partikel zu detektieren, wurden leistungsstarke Beschleuniger wie der LHC benötigt.
Wenn Supersymmetrie oder neue Partikel oder Wechselwirkungen existieren, können sie nach Angaben der Autoren der neuen Studie auf einer Skala von zehn Teraelektronvolt entdeckt werden. Dies ist fast an der Grenze der Fähigkeiten des LHC, und wenn die vorgeschlagene Theorie korrekt ist, ist die Entdeckung neuer Partikel dort äußerst unwahrscheinlich.
CM-Versionen
Bild: arXiv.org
Ein Signal in der Nähe von 750 Gigaelektronvolt, das den Zerfall eines schweren Teilchens in zwei Gammaphotonen anzeigen könnte, wie Wissenschaftler der Kooperationen CMS (Compact Muon Solenoid) und ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) am LHC im Dezember 2015 und März 2016 berichteten, als statistisches Rauschen erkannt. Nach 2012, als bekannt wurde, dass das Higgs-Boson am CERN entdeckt wurde, wurden keine neuen fundamentalen Partikel entdeckt, die von den SM-Erweiterungen vorhergesagt wurden.
Daher wird die Entstehung von Theorien erwartet, in denen das Bedürfnis nach Supersymmetrie verschwindet. "Es gibt viele Theoretiker, einschließlich mir, die glauben, dass jetzt eine völlig einzigartige Zeit ist, in der wir wichtige und systemische Probleme lösen und nicht die Details eines nächsten Elementarteilchens betreffen", sagte die Hauptautorin der neuen Studie, die Physikerin Nima Arkani-Hamed von der Princeton University (USA).
Sein Optimismus wird nicht von allen geteilt. Zum Beispiel glaubt der Physiker Matt Strassler von der Harvard University, dass die mathematische Rechtfertigung der neuen Theorie erfunden werden muss. In der Zwischenzeit glaubt Paddy Fox vom Enrico Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia (USA), dass die neue Theorie in den nächsten zehn Jahren getestet werden kann. Seiner Meinung nach sollten Teilchen, die in einer Gruppe mit einem schweren Higgs-Boson gebildet werden, ihre Spuren auf der Reliktstrahlung hinterlassen - der alten Mikrowellenstrahlung, die von der Urknalltheorie vorhergesagt wird.
Andrey Borisov
