Higgs boson meluruh dalam tabrakan ini direkam oleh detektor ATLAS pada 18 Mei 2012.
(Gambar: © ATLAS)
Paul M. Sutter adalah seorang astrofisikawan di SUNY Stony Brook dan the Flatiron Institute, tuan rumah Tanya seorang angkasawan dan Radio luar angkasa, dan penulis "Tempat Anda di Alam Semesta."Sutter menyumbang artikel ini untuk Suara Ahli Space.com: Op-Ed & Insights.
Simetri di alam memperkuat pemahaman mendasar kita tentang kosmos, dari universalitas gravitasi hingga penyatuan kekuatan alam dengan energi tinggi.
Pada 1970-an, fisikawan mengungkap potensi simetri yang menyatukan semua jenis partikel di alam semesta kita, dari elektron hingga foton dan segala sesuatu di antaranya. Koneksi ini, dikenal sebagai supersimetri, bergantung pada sifat kuantum yang aneh dari putaran, dan berpotensi memegang kunci untuk membuka pemahaman baru tentang fisika.
Simetri adalah kekuatan
Selama berabad-abad, simetri telah memungkinkan fisikawan untuk menemukan koneksi yang mendasari dan hubungan mendasar di seluruh alam semesta. Kapan Isaac Newton pertama kali mengklik gagasan bahwa gravitasi yang menarik sebuah apel dari pohon adalah kekuatan yang sama persis yang membuat bulan mengorbit di sekitar matahari, ia menemukan sebuah simetri: hukum gravitasi benar-benar universal. Wawasan ini memungkinkannya untuk membuat lompatan luar biasa dalam memahami cara kerja alam.
Sepanjang tahun 1800-an, fisikawan di seluruh dunia bingung akan sifat aneh dari listrik, magnetisme, dan radiasi. Apa yang menyebabkan arus listrik mengalir ke bawah kawat? Bagaimana bisa magnet yang berputar mendorong arus yang sama? Apakah cahaya itu gelombang atau partikel? Dekade sulit perenungan berpuncak pada terobosan matematika bersih oleh James Clerk Maxwell, yang menyatukan semua cabang penyelidikan yang berbeda di bawah satu set persamaan sederhana: elektromagnetisme.
Albert Einstein membuat tanda juga dengan mengambil wawasan Newton selangkah lebih maju. Mengambil pepatah bahwa semua hukum fisik harus sama terlepas dari posisi atau kecepatan Anda, ungkapnya relativitas khusus; gagasan tentang ruang dan waktu harus ditulis ulang untuk menjaga simetri alam ini. Dan menambahkan gravitasi pada campuran itu membawanya Relativitas umum, pemahaman modern kita tentang kekuatan itu.
Bahkan hukum konservasi kita - konservasi energi, konservasi momentum dan sebagainya - bergantung pada simetri. Fakta bahwa Anda dapat menjalankan eksperimen hari demi hari dan mendapatkan hasil yang sama mengungkapkan simetri melalui waktu, yang melalui kejeniusan matematis dari Emmy Noether mengarah ke hukum percakapan energi. Dan jika Anda mengambil percobaan dan memindahkannya melintasi ruangan dan masih mendapatkan hasil yang sama, Anda baru saja menemukan simetri melalui ruang, dan konservasi momentum yang sesuai.
Cermin berputar
Di dunia makroskopis, itu meringkas semua simetri yang kita temui di alam. Tetapi dunia subatomik adalah cerita yang berbeda. Partikel dasar dari alam semesta kita memiliki properti menarik yang dikenal sebagai "spin." Ini pertama kali ditemukan dalam percobaan yang menembakkan atom melalui medan magnet yang bervariasi, menyebabkan jalur mereka membelokkan dengan cara yang sama persis seperti bola logam yang berputar dan bermuatan listrik.
Tetapi partikel subatomik bukanlah bola logam berputar yang bermuatan listrik; mereka hanya bertindak seperti mereka dalam eksperimen tertentu. Dan tidak seperti analog dunia biasa mereka, partikel subatomik tidak dapat memiliki jumlah rotasi yang mereka inginkan. Sebaliknya, setiap jenis partikel mendapatkan jumlah putarannya sendiri yang unik.
Untuk berbagai alasan matematika yang tidak jelas, beberapa partikel seperti elektron dapat memiliki putaran ½, sedangkan partikel lain seperti foton mendapatkan putaran 1. Jika Anda bertanya-tanya bagaimana foton dapat berperilaku seperti bola logam yang berputar, maka jangan terlalu banyak berkeringat; Anda bebas untuk menganggap "spin" sebagai properti lain dari partikel subatom yang harus kita perhatikan, seperti massa dan muatannya. Dan beberapa partikel memiliki lebih banyak sifat ini, dan beberapa lainnya memiliki lebih sedikit.
Secara umum, ada dua "keluarga" besar partikel: partikel dengan setengah bilangan bulat (1/2, 3/2, 5/2, dll.) Berputar, dan partikel dengan bilangan bulat utuh (0, 1, 2, dll. .) berputar. Setengah disebut "fermion" dan terdiri dari blok bangunan dunia kita: elektron, quark, neutrino dan sebagainya. Wholsies disebut "boson" dan merupakan pembawa kekuatan alam: foton, gluon, dan sisanya.
Pada pandangan pertama, kedua kelompok partikel ini tidak mungkin berbeda.
Simfoni spartikel
Pada 1970-an, teori string mulai melihat dengan kritis pada sifat spin ini dan mulai bertanya-tanya apakah mungkin ada simetri alam di sana. Idenya dengan cepat berkembang di luar komunitas string dan menjadi area aktif penelitian lintas fisika partikel. Jika benar, "supersimetri" ini akan menyatukan dua keluarga partikel yang tampaknya berbeda ini. Tapi seperti apa bentuk supersimetri ini?
Inti dasarnya adalah bahwa, dalam supersimetri, setiap fermion akan memiliki "partikel superpartner" (atau "sparticle" singkatnya - dan namanya hanya akan semakin buruk) di dunia boson, dan sebaliknya, dengan massa yang sama persis dan mengisi daya tetapi putaran yang berbeda.
Tetapi jika kita mencari spartikel, kita tidak menemukannya. Misalnya, spartikel elektron ("selron") harus memiliki massa dan muatan yang sama dengan elektron, tetapi putaran 1.
Partikel itu tidak ada.
Jadi, entah bagaimana, simetri ini harus dipatahkan di alam semesta kita, mendorong massa spartikel di luar kisaran partikel yang saling bertabrakan. Ada banyak cara berbeda untuk mencapai supersimetri, semua memprediksi massa yang berbeda untuk selektron, stop quark, sneutrinos dan semua orang lainnya.
Sampai saat ini, tidak ada bukti untuk supersimetri telah ditemukan, dan percobaan di Collider Hadron Besar telah mengesampingkan model supersimetrik yang paling sederhana. Meskipun ini bukan paku terakhir di peti mati, para ahli teori menggaruk-garuk kepala, bertanya-tanya apakah supersimetri tidak benar-benar ditemukan di alam, dan apa yang harus kita pikirkan selanjutnya jika kita tidak dapat menemukan apa pun.
- The Universe: Big Bang sekarang dalam 10 langkah mudah
- Ahli teori 'Supergravity' memenangkan $ 3 juta Hadiah Fisika Terobosan
- Partikel-partikel misterius yang dimuntahkan dari Antartika menentang fisika
Pelajari lebih lanjut dengan mendengarkan episode "Apakah teori string sepadan? (Bagian 4: Apa yang kita butuhkan adalah seorang pahlawan super)" di podcast Ask A Spaceman, tersedia di iTunes, dan di Web pada http://www.askaspaceman.com. Terima kasih kepada John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., P. Sayan, Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. untuk pertanyaan yang mengarah ke bagian ini! Ajukan pertanyaan Anda sendiri di Twitter menggunakan #AskASpaceman, atau dengan mengikuti Paul @PaulMattSutter dan facebook.com/PaulMattSutter. Ikuti kami di Twitter @Spacedotcom atau Facebook.
