Symetrie rządzące światem cząstek elementarnych na najbardziej fundamentalnym poziomie są, być może, radykalnie inne od dotychczas przewidywanych. Ten zaskakujący wniosek płynie z modelu przedstawionego przez teoretyków z Warszawy i Poczdamu. Zaprezentowany schemat łączy wszystkie oddziaływania przyrody w sposób zgodny z dotychczasowymi obserwacjami i przewiduje istnienie nowych cząstek o niezwykłych własnościach, być może obecnych nawet w naszym bezpośrednim otoczeniu.
Od pół wieku fizycy próbują skonstruować teorię łączącą fundamentalne siły przyrody, opisującą znane cząstki elementarne i przewidującą istnienie nowych. Próby te na razie nie znajdują potwierdzenia eksperymentalnego, a Model Standardowy – stara i z pewnością niepełna, lecz zaskakująco skuteczna konstrukcja teoretyczna – jest od lat z powodzeniem używany do opisu świata kwantów. Na łamach czasopisma „Physical Review Letters” profesorowie Krzysztof Meissner z Instytutu Fizyki Teoretycznej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) oraz Hermann Nicolai z Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik w Poczdamie przedstawili nowy model uogólniający Model Standardowy i włączający do opisu grawitację. Usunięcie wad wcześniejszych prób stało się możliwe dopiero po użyciu symetrii dotychczas niestosowanej przy opisie cząstek elementarnych.
Symetrie w fizyce są rozumiane nieco inaczej niż w potocznym ujęciu. Niezależnie od tego, czy upuścimy piłkę z tego samego miejsca teraz, czy za minutę – spadnie tak samo. To przejaw pewnej symetrii: prawa fizyki pozostają niezmienione względem przesunięć w czasie. Podobnie, możemy piłkę upuścić, raz stojąc twarzą na południe, a raz na zachód albo zrzucić z tej samej wysokości raz w jednym miejscu, a raz w drugim. Piłki spadną tak samo, co oznacza, że prawa fizyki są symetryczne także z uwagi na operacje (odpowiednio) obrotów i przesunięć w przestrzeni.
– W fizyce symetrie odgrywają ogromną rolę, ponieważ są z nimi związane zasady zachowania. Na przykład, zasada zachowania energii wiąże się z symetrią praw fizyki względem przesunięcia w czasie, zasada zachowania pędu – względem translacji, zasada zachowania momentu pędu – względem obrotów – wyjaśnia prof. Krzysztof Meissner.
W latach 70. ubiegłego wieku rozpoczęto prace nad skonstruowaniem teorii supersymetrycznej, mającej opisywać symetrie między fermionami a bozonami. Fermiony to cząstki elementarne, których spin, czyli cecha kwantowa związana z obrotem, jest wyrażony nieparzystą krotnością ułamka 1/2. Fermionami są m.in. kwarki oraz leptony, czyli elektrony, miony, taony oraz stowarzyszone z nimi neutrina (a także ich antycząstki). Protony i neutrony, tak powszechne w naszym świecie cząstki złożone, także należą do fermionów. Z kolei bozony to cząstki o spinie całkowitym. Znajdziemy wśród nich cząstki odpowiedzialne za oddziaływania (fotony przenoszące oddziaływania elektromagnetyczne, gluony – oddziaływania silne, bozony W i Z – oddziaływania słabe) oraz bozon Higgsa.
– Pierwsze teorie supersymetryczne próbowały łączyć oddziaływania typowe dla cząstek elementarnych, a więc elektromagnetyczne o symetrii znanej jako U(1), słabe o symetrii SU(2) i silne o symetrii SU(3). Brakowało wśród nich grawitacji – mówi prof. Meissner i precyzuje: – Odpowiedniość (symetria) między bozonami i fermionami była tu globalna, a więc taka sama w każdym punkcie przestrzeni. Wkrótce potem powstały teorie, gdzie symetria była lokalna, czyli w każdym punkcie przestrzeni mogła być realizowana inaczej. W celu zagwarantowania takiej symetrii do teorii tych trzeba było dołączyć grawitację. Teorie te nazwano supergrawitacjami.
Więcej informacji na ten temat znajduje się na stronie internetowej Wydziału Fizyki UW.