Фізика
Фізика

Суперфізика та надмеханізми. Що у фізиці називають супер? Що такого «над» у надпровідності? Яку Сьюзі шукають фізики?

Суперпростір, суперсиметрія, надпровідність, надплинність і все інше з подібними приставками насправді англійською звучить просто як «супер» («super»). Загалом до вас не має бути жодних претензій, якщо ви раптом скажете «суперпровідність», бо така різниця в українській мові зумовлена не різницею у поняттях, а більше різним підходом до перекладу. Префікс латинського походження супер- є семантично найближчим до українського префікса над-, а тому часто перебирає на себе його функції у вираженні значення «дуже». Просто українською більш усталеними стали терміни надпровідність і надплинність, але суперсиметрія може з тим самим успіхом стати надсиметрією і не втратити від того свого значення.

Зупинимося на тому, що вся фізика «супер», та спробуємо докладніше розібратися з тим, чому надпровідники не називають просто «ідеальними провідниками», яка різниця між гравітацією та супергравітацією і яку Сьюзі шукають фізики.

GIPHY

GIPHY

Бозон, ферміон та Ньютон — симетрія до «супер»

Перш ніж познайомитися зі Сьюзі, тобто із суперсиметрією (supersymmetry, SUSY), нам варто розібратися зі Стандартною моделлю. Земля обертається навколо Сонця, а яблуко падає на Ньютона завдяки тяжінню, дерев’яному бруску зі шкільних задач заважає рухатися сила тертя та завдяки виштовхувальній силі ми всі дізналися, як Архімед приймав ванну. Проте, насправді все це ми можемо звести до чотирьох фундаментальних взаємодій: гравітаційної, електромагнітної, сильної та слабкої. Всі вони несуть відповідальність за все, що ми бачимо навколо та працюють завдяки частинкам-переносникам взаємодії — бозонам. Але для цих всіх взаємодій нам потрібна матерія, яку варто відділяти від сил, що впливають на неї. Всі об'єкти, що становлять матерію навколо нас, складаються з частинок іншої «сім’ї» — ферміонів. І все це досить непогано працює саме завдяки симетрії, яку разом з описом всіх фундаментальних частинок нам пропонує Стандартна модель. І все би добре, якби ми не знайшли масу у нейтрино.

Нейтрино — частинка з «сім’ї» лептонів, які належать до складових матерії і є ферміонами. Найлегшим (за масою) прикладом лептона є електрон. І у рамках Стандартної моделі у нього мала б бути нульова маса, як у фотона, глюона і гравітона — переносників гравітаційної, електромагнітної та сильної взаємодій. Але у 2015 році Нобелівську премію з фізики присудили «за відкриття коливань нейтрино, яке показує, що нейтрино мають масу», що свого часу змусило визнати необхідність розширення Стандартної моделі. Це відкриття, до речі, також не обійшлося без приставки «супер» — осциляції нейтрино помітили у обсерваторії Супер-Каміоканде.

Втім, все не так погано. Фізики придумали механізм, з яким частинки могли б отримати масу. Стандартна модель говорить, що хоч електромагнітна і слабка взаємодії дуже різняться на звичайних низьких енергіях, вони здатні об’єднуватися в єдину електрослабку взаємодію за високих, створюючи симетрію. Але ніщо не заважає її порушити, тож у спонтанному порушенні електрослабкої симетрії звинуватили бозон Хіггса, який вченим з ЦЕРНу вдалося відкрити в 2012 році. І здавалося б, можемо розходитися — симетрію порушили, частинки отримали свою масу і Стандартна модель доведена. Однак, залишилося безліч питань: чому маса бозона Хіггса становить 125 мас протона, хоча взаємодія між ним і частинками має зробити її набагато більшою? Чому темної матерії, яку виявили астрономи, набагато більше у Всесвіті, ніж частинок Стандартної моделі? Як так вийшло, що у частинок настільки дисбаланс енергетичних масштабів?

Отже, у нас є чотири головні взаємодії, два головні табори частинок для матерії і для дії, а також проблема маси (не єдина у Стандартній моделі), яку частково зміг вирішити бозон Хіггса.
Моделювання, як після зіткнення двох протонів утворюється бозон Хіггса, який після розпадається на адрони та електрони. Лініями зображені можливі шляхи руху частинок, що утворюються при у детекторі, а вивільнена ними енергія — синім кольором. Lucas Taylor / CERN / Wikimedia Commons

Моделювання, як після зіткнення двох протонів утворюється бозон Хіггса, який після розпадається на адрони та електрони. Лініями зображені можливі шляхи руху частинок, що утворюються при у детекторі, а вивільнена ними енергія — синім кольором. Lucas Taylor / CERN / Wikimedia Commons

Чому суперсиметрія супер?

Тут дуже б хотілося сказати, що суперсиметрія супер, адже зможе відповісти на питання вище, але про це пізніше. Суперсиметрія та всі похідні від неї теорії мають таку назву, оскільки говорять про об’єднання бозонів і ферміонів. Бозони і ферміони — це умовно два табори, яких можна розрізняти за значенням спіна: якщо перед вами бозон, то спін частинки буде цілим числом і вона несе дію, а якщо ферміон — то напівцілим і з неї складається матерія. Але головною відмінністю є їхня поведінка, коли одна з головних заборон квантової механіки, принцип заборони Паулі, діє лише відносно ферміонів. Так два електрони або будь-яких інших ферміони в атомі не можуть одночасно перебувати в одному стані, а два бозони — можуть. Це подібно тому, як дві людини не можуть зайняти одне місце на трибуні стадіону, а тому тільки-но заповнюється один ряд, ви підіймаєтеся вище у пошуках вільного. Але якщо ви бозон, то жодні рамки моралі вам не заважають. Така властивість визначає поведінку атомних електронів, даючи нам періодичну таблицю елементів, молекул і твердих речовин.

Втім, така стриманість ферміонів пояснюється у рамках суперсиметрії, яка говорить, що кожна з частинок в Стандартній моделі має партнера зі спіном, який відрізняється на половину одиниці. Суперсиметрія по суті пов’язує речовину та взаємодію у супермультиплет частинок і робить це у суперпросторі. Так «сім’я» бозонів і ферміонів знаходиться у розширенні звичайного чотиривимірного простору-часу, до якого додається ще так званий «напрямок». У ньому замість звичайних чисел, якими ми характеризуємо координати простору-часу, з’являються числа Грассмана. Їх також можна додавати, множити і ділити, але вони поводяться майже як поле та можуть перетворити бозони у ферміони та навпаки, «повертаючи» супермультиплет частинок у їхньому суперпросторі.

Так, може дійсно здатися, що теорія суперсиметрії ще більше ускладнить і без того складну тему. Однак, саме суперсиметрична модель може найкрасивішим способом пояснити всі ці механізми, хоч поки їй і потрібна така складна математика.

«Сьюзі, мила моя Сьюзі». Де знайти суперсиметрію?

Для підтвердження Стандартної моделі нам знадобився бозон Хіггса, для необхідності її розширення — маса у нейтрино. А що потрібно знайти, щоб довести існування суперсиметрії? Вона передбачає партнерську частинку для кожної частинки Стандартної моделі, тому якщо теорія правильна, то всі ці суперсиметричні частинки — суперпартнери, повинні рано чи пізно з'явитися у зіткненнях на Великому адронному колайдері. Так, наприклад, у звичайного електрона обов’язково має бути так званий селектрон (і за аналогією з’являються скварки, смюони і так далі), які взаємодіятимуть за допомогою тих же сил, що і частинки Стандартної моделі.

Ці частинки нейтралізували б вклади в масу бозона Хіггса від інших частинок Стандартної моделі, що тоді б пояснило його «легкість». Також якби суперсиметричні частинки входили б у Стандартну модель, три фундаментальні взаємодії — електромагнітна, сильна і слабка могли б бути однією єдиною силою, яка зі зниженням енергії просто розділилася на три. Це так звана теорія Великого об’єднання.


Уважний читач помітив, що тут ми пропустили гравітаційну взаємодію та чомусь не включили її у теорію Великого об’єднання. Однак, це не наша провина, а фізики, яка говорить, що переносник гравітаційної взаємодії гравітон, має мати спін 2 (у всіх інших, як у нормальних бозонів, він дорівнює одиниці), а тому гравітацію все ніяк не вдається квантувати і доводиться додавати супергравітацію, щоб об’єднати теорію відносності Ейнштейна і суперсиметрію.


Пам’ятаєте, що планети, зірки та галактики, які нам вдається побачити — це лише 5% усієї маси Всесвіту? Так-от і тут суперсиметрія може все владнати. Вчені передбачають, що темна матерія складається з якоїсь нової, ще не відкритої, слабовзаємодіючої масивної частинки — вімпів. Детальніше про них можна почитати у нашому матеріалі «Що таке темна матерія і темна енергія?». Для Стандартної моделі їх не існує, але тільки не для суперсиметрії. Одним з перспективних кандидатів на звання вімпу вважають найлегшу суперсиметричну частинку, яка з’являється як суперпартнер, наприклад, фотона, і так само буде стабільною, електрично нейтральною і також слабко взаємодіятиме з іншими частинками. Втім, саме завдяки своїм «придатним» властивостям, тобто стабільності, вона вже не розпадається, а лише відлітає, а тому не може бути помічена детектором.

Тож суперсиметрія простим додаванням кожній відомій нам частинці (вибачте, гравітони) партнера, зможе заповнити всі ті пробіли, які існують у Стандартній моделі.
GIPHY

GIPHY

Надпровідність. Що в ній такого «над» і чому перед нею метали втрачають опір?

Як ми на початку відмітили, у фізиці від «супер» дуже недалеко до «над», а тому на деякий час повернемося до бозона Хіггса та поговоримо про надпровідність. Ідея механізму Хіггса, існування якого вдалося експериментально підтвердити, частково була запозичена з фізики конденсованого середовища, а саме з моделі надпровідності Бардіна-Купера-Шріфера (БКШ). Надпровідність — явище, за якого у металах при охолодженні до низьких температур (а іноді й без них) електрони починають рухатися без опору. Можливо, після такої великої кількості новин про надпровідники, у вас могло скластися враження, що це абсолютно нормально, що якісь матеріали будуть ідеально проводити струм. І справді, ми знаємо кілька сотень найрізноманітніших таких сплавів і з’єднань. Однак, насправді це дуже суперечить «фізиці здорової людини», бо за визначенням вільні електрони, як і несуть струм, мають обов’язково стикатися з атомами кристалічної решітки того, де вони цей струм несуть. То чому ж метали припиняють опиратися?

За теорією БКШ, метали з «нормального» стану у надпровідний переходять, якщо буквально заморозити їхні атоми. За наднизьких температур вони практично припиняють коливатися, а електрони від цього не припиняють бути вільними і все ще рухаються. Причому ядро атома та електрон є протилежно зарядженими, тому з’являється різниця потенціалів, і позитивно заряджені ядра, хочуть вони того чи ні, починають знову і знову притягувати електрони. Втім, електронам по одному тіснитися не дуже вигідно, а тому вони починають об’єднуватися у пари та поводитися ніби одна частинка. Ці пари називають куперівськими, атоми решітки зупинити їх не можуть, а тому вони починають переміщуватися між ними, практично не втрачаючи енергії в результаті зіткнення, а отже електричний опір спрямовується до нуля. Втім, ця красива на перший погляд теорія про об’єднання в пари, стосується лише так званих традиційних надпровідників, які працюють за температури нижчої 77 кельвінів. Для високотемпературних провідників, з якими фізики майже щороку б’ють температурні рекорди (останній 2020 року — надпровідність за температури понад 15 градусів Цельсія, хоч і за надзвичайно високого тиску), ми поки не знаємо механізму, а лише розуміємо, що БКШ для них не підходить.

Якщо максимально все це спростити, то дійсно два ферміони — електрони, за низьких температур об’єднуються та формують частинку з цілим спіном, яка поводиться як бозон. А в результаті ми отримуємо матеріал, який зовсім не опирається струму. Але все це працює лише для традиційних надпровідників.
Левітація магніту над надпровідником купратного типу, охолодженим до мінус 196 градусів Цельсію. Julien Bobroff / Wikimedia Commons

Левітація магніту над надпровідником купратного типу, охолодженим до мінус 196 градусів Цельсію. Julien Bobroff / Wikimedia Commons

Надплинність. Як проникнути всюди?

1978 року сталася Нобелівська премія з фізики «за основні винаходи та відкриття у галузі фізики низьких температур», яка мала на увазі відкриття 40 років тому здатності гелю втрачати свою в’язкість. Буквально проникати у всі щілини. У надплинному стані гелій безперешкодно витікає крізь найменші тріщини та навіть здатний підійматися стінками посудини і переливатися через край під дією капілярних сил. Тобто так само як і у надпровідності зникає опір, у надплинності — тертя. Атоми гелію належать до бозонів, а тому, як ми пам’ятаємо, можуть займати один квантовий стан. Однак, якщо гелій охолодити до наднизьких (знову) температур, то всі бозони опиняться на одному, найнижчому рівні, що змусить їх потім діяти як одна частинка. Одна частинка, якій абсолютно однаково до того, хто там з нею стикається — на вищий рівень вона підійматися за таких умов все одно не буде. Втім, 2017 року кімнатна температура дісталася і до надплинності — вчені звернулися до надлегких квазічастинок — екситон-поляритонів та навчили їх обтікати перешкоди без розсіювання та утворювати пари вихорів і антивихорів, подібно надплинному гелію.

Протилежність і водночас найближчий родич надпровідності — надплинність. Надпровідність долає опір, а надплинність — тертя. Однак за надпровідність відповідає об’єднання ферміонів, а за надплинність — бозонів.
Гелій у надплинному стані повзе внутрішньою стінкою чаші, а потім вниз по зовнішній, щоб так падати донизу поки чаша не спорожниться. AlfredLeitner / Wikimedia Commons

Гелій у надплинному стані повзе внутрішньою стінкою чаші, а потім вниз по зовнішній, щоб так падати донизу поки чаша не спорожниться. AlfredLeitner / Wikimedia Commons