סופר-סימטריה
סוּפֶּר-סִימֶטְרִיָּה או סִימֶטְרִיַּת-עָל (באנגלית: Supersymmetry) היא תאוריה בפיזיקת חלקיקים, הטוענת שיש בטבע סימטריה הקשורה לבוזונים (חלקיקים נושאי כוח) ולפרמיונים (חלקיקי חומר). בתאוריות של סופר-סימטריה, לכל פרמיון של המודל הסטנדרטי יש שותף-על (superpartner) בוזוני ולכל בוזון של המודל הסטנדרטי יש שותף-על פרמיוני. על אף שסופר-סימטריה מעולם לא נצפתה בניסוי, היא מהווה מרכיב במספר תאוריות פיזיקליות, ובין אלה נכללות גם תאוריות הקשורות בהרחבת המודל הסטנדרטי כמו גם תאוריות חדשות של תורת המיתרים. באנגלית, בה המילה סימטריית-על היא Supersymmetry, נהוג להשתמש במונח SUSY במקום המילה המלאה.
המודל הסטנדרטי
ערך מורחב – המודל הסטנדרטי
על פי המודל הסטנדרטי, ניתן לחלק את החלקיקים היסודיים ביותר לשתי קבוצות: פרמיונים (מהם עשויים כל חלקיקי החומר) ובוזונים (הנושאים את הכוחות הפועלים על החומר).
הפרמיונים עצמם מתחלקים לשלושה דורות, כלומר, כל פרמיון הוא חלק משלשה של פרמיונים בעלי תכונות דומות (כמו למשל מטען חשמלי) וסדר עולה של המאסה. לדוגמה, אחד הפרמיונים הידועים ביותר הוא האלקטרון, ששותף לשלשה כזו עם המיואון והטאו. פרמיונים קיימים גם בשתי גרסאות עבור כל דור, עם מטען חשמלי שונה. כך עבור האלקטרון המיואון והטאו קיימים שלושה סוגים של חלקיקי נייטרינו בהתאמה. בדומה גם ששת הקווארקים מתחלקים לשתי שלשות.
מצד שני, הבוזונים מופיעים בקבוצות שאינן מסודרות ו"נקיות" כלל, בהשוואה לפרמיונים. הקבוצות הללו כוללות סוגים שונים למדי, בעלי תת-קבוצות בהם יש טווח של 1 עד 16 חברים. בנוסף, לא נראה שקיים מבנה דורות: הפוטון, לדוגמה, מופיע רק בצורה אחת, ולמרות ששותפיו הם בוזוני W ו-Z, הם לא ממש מתאימים לשום דבר בצד הפרמיוני.
חוסר הדמיון שבין הצד הפרמיוני ה"נקי" לצד הבוזוני ה"מבולגן" מהווה את אחת מנקודות הבעייתיות של המודל הסטנדרטי.
סופר-סימטריה
השערת הסופר-סימטריה גורסת, כי לכל חלקיק בטבע ישנו בן-זוג הזהה לו בכל המטענים שלו, בעל אותה המסה, אך בעל ספין שונה ב-1/2. סופר-סימטריה לא קיימת בטבע באנרגיות נמוכות ולכן ההשערה היא שהסימטריה שבורה. כתוצאה מכך, בני הזוג הסופר-סימטריים הינם בעלי מסה שונה מהחלקיקים של המודל הסטנדרטי. בני-הזוג הסופר-סימטריים הללו נקראים שותפי-על (superpartners). שותפי-העל כבדים במספר סדרי גודל מבני-הזוג ה"סטנדרטיים" שלהם, ולכן עד כה לא נצפו במאיצי החלקיקים הקיימים (ר' להלן).
כפי שזה נראה כעת, אף חלקיק מהמודל הסטנדרטי לא יכול להיות שותף-על של חלקיק אחר, כך שאם סופר-סימטריה נכונה, חייבים להימצא עוד חלקיקים רבים שעדיין לא נתגלו, בערך כמספר החלקיקים במודל הסטנדרטי.
נומנקלטורה
שותפי-על של פרמיונים נקראים כמו הפרמיונים בתוספת האות S בהתחלה: סלקטרון, סקווארק, סנייטרינו וכדומה. שותפי-על של בוזונים נקראים כמו הבוזונים בתוספת "_ינו": ווינו (השותף של החלקיק W), זינו (השותף של החלקיק Z), פוטינו, גלואינו וכדומה.
אפשרות אחת בכמה מודלים של סופר-סימטריה היא קיומם של חלקיקים הידועים בשם WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) - חלקיקים חלשי תגובה מסיביים), למשל חלקיקי נייטרילנו המגיבים בצורה חלשה מאד עם החומר. אלה מועמדים אפשריים בתור החומר האפל.
הוכחה ניסויית
חיפושים ניסיוניים אחר חלקיקים סופר-סימטריים כשלו עד כה, ואין אף הוכחה ניסויית שסופר-סימטריה אכן קיימת במציאות. שיקולים תאורטיים מתמטיים רומזים שסופר-סימטריה עשויה להמצא באנרגיות שאינן גבוהות בהרבה מאלה אותן ניתן להשיג במאיצי חלקיקים. החיפוש אחר סופר-סימטריה הוא אחד המטרות העיקריות של מאיץ LHC שבמעבדות CERN שהחל לעבוד בספטמבר 2008, ואמור לייצר חלקיקים בעלי מסה קרובה למסה שצופות תאוריות על-סימטריה מסוימות. המאיץ טרם הצליח למצוא עדויות לקיום תיאורית הסופר-סימטריה, ולכן למרות שהתאוריה כנראה איננה נכונה בצורתה הפשוטה לא ניתן לשלול עדיין את כל ההיבטים שלה.
מכניקת קוונטים על-סימטרית
הבנת ההשלכות של סופר-סימטריה מבחינה מתמטית היא דבר מסובך, ופיתוח תאוריות שיסבירו את שבירת הסימטריה, כלומר, החוסר הנראה לעין של שותפי-על בעלי מסה שווה הוא דבר קשה באותה מידה. כדי להתקדם בבעיות אלו, פיתחו הפיזיקאים מכניקת קוונטים על-סימטרית, יישום של האלגברה של סימטריית העל במכניקת הקוונטים כנגד תורת השדות הקוונטיים. הייתה תקוה שחקר השלכות של סימטריית-העל בהסדר פשוט יותר זה יוביל להבנות חדשות; מאמץ זה יצר אזורי מחקר חדשים במכניקת הקוונטים עצמה.
שותפי-על
מודל סטנדרטי מינימלי של סופר-סימטריה (MSSM) מחייב ארבעה שדות מרוכבים של בוזון היגס - שניים טעונים ושניים נייטרליים, כלומר הוא מחייב הרחבה גם של תמונת חלקיקי המודל הסטנדרטי, ולא רק מוסיף חלקיקים חדשים (שותפי-העל). פעולת המנגנון של שבירת סימטריה ספונטנית על שדות היגס אלו נותן בסופו של דבר חמישה חלקיקי היגס (ספין 0) שיכולים להתקיים בטבע, מהם שלושה נייטרליים, אחד בעל מטען חיובי והאחרון בעל מטען שלילי. תכונה ייחודית של סופר-סימטריה היא ששותפי-העל אינם בעלי אותו ספין, כך שהשותפים של פרמיונים הם בוזונים, ולהפך. שותפי-על טרם התגלו בניסוי.
שותפי-העל במסגרת ה-MSSM הם:
- פרמיונים:
- שותפי-העל של בוזוני הכיול נקראים גאוג'ינים. ברמה הבסיסית (לפני ערבוב מצבים קוונטיים) מקבלים:
- 4 חלקיקי היגסינו (ספין 1/2) - שותפי-העל של ארבעת השדות של בוזון היגס.
- במודל הסטנדרטי בוזון Z ופוטון מתוארים כערבוב של בוזון W נייטרלי ובוזון B. באופן דומה, אם סופר-סימטריה הייתה סימטריה מדויקת, היינו מקבלים את הזינו והפוטינו כערבוב של הווינו הנייטרלי עם הבינו. היות שסופר-סימטריה היא סימטריה שבורה, הפרמיונים הבאים הם חלקיקים חדשים שצפויים להתקיים בטבע (בהנחה שהתאוריה נכונה):
- 2 חלקיקי ההיגסינו הנייטרלים מתערבבים עם הבינו והווינו הנייטרלי לקבלת ארבעה חלקיקי נייטרלינו (ספין 1/2). הנייטרלינו הפחות מסיבי ביניהם הוא מועמד להרכיב את החומר האפל ביקום.
- 2 חלקיקי ההיגסינו הטעונים מתערבבים עם 2 חלקיקי הווינו הטעונים ונותנים 4 חלקיקי צ'רג'ינו (ספין 1/2) - שניים נושאים מטען חיובי ושניים נושאים מטען שלילי.
- 8 חלקיקי גלואינו (ספין 1/2).
- גרביטינו (ספין 3/2).
- במודל הסטנדרטי בוזון Z ופוטון מתוארים כערבוב של בוזון W נייטרלי ובוזון B. באופן דומה, אם סופר-סימטריה הייתה סימטריה מדויקת, היינו מקבלים את הזינו והפוטינו כערבוב של הווינו הנייטרלי עם הבינו. היות שסופר-סימטריה היא סימטריה שבורה, הפרמיונים הבאים הם חלקיקים חדשים שצפויים להתקיים בטבע (בהנחה שהתאוריה נכונה):
