Vad är sekvenser inom fysik?

I fysikens sammanhang är sekvestering ett föreslaget medel genom vilket vissa partiklar och krafter kan begränsas till extra dimensioner, vilket förhindrar eller minimerar deras interaktion med partiklarna och krafterna som innefattar standardmodellen. Idén, som har särskild relevans för strängteori, M-teori och supersymmetri (SUSY), utvecklades av de teoretiska fysikerna Lisa Randall och Raman Sundrum. Sekvensering kan lösa några stora problem inom partikelfysik. I synnerhet erbjuder det en lösning på det som kallas ”hierarkiproblemet” genom att supersymmetri bryts, samtidigt som man undviker ett annat problem som kallas ”smaköverträdelse”.

Fysiker har länge sökt en Grand Unified Theory (GUT) som förenar naturens fyra krafter - den elektromagnetiska kraften, de starka och svaga kärnkrafterna och tyngdkraften - samt förklarar egenskaperna hos alla elementära partiklar. Det stora problemet som någon sådan teori måste hantera är den uppenbara oförenlighet med allmän relativitet med kvantteori och standardmodellen. Strängteori, där de mest grundläggande materienheterna, såsom elektroner och kvarkar, betraktas som extremt små, en-dimensionella, strängliknande enheter, är ett försök till en sådan teori. Detta har utvecklats till M-teori, där strängar kan utökas till två och tredimensionella "klingar" som flyter i ett högre dimensionellt rum, känd som "bulk".

Förutom de problem som är involverade i att föra tyngdkraften i bilden, finns det ett problem med själva Standardmodellen, känd som hierarkiproblemet. Kort sagt, hierarkiproblemet centrerar på varför gravitationskraften är enormt svagare än de andra naturkrafterna, men det inbegriper också förutsagda värden för massorna av några hypotetiska kraftbärande partiklar som skiljer sig enormt från varandra. En hypotetisk partikel i synnerhet, Higgs-partikeln, förutspås vara relativt lätt, medan det verkar som att kvantbidrag från virtuella partiklar måste göra den enormt mer massiv, åtminstone utan en extraordinär grad av finjustering. Detta anses vara extremt osannolikt av de flesta fysiker, så en del underliggande princip försöker förklara skillnaderna.

Teorin för supersymmetri (SUSY) ger en möjlig förklaring. Detta säger att för varje fermion - eller materiebildande partikel - finns det en boson - eller kraftbärande partikel - och vice versa, så att varje partikel i Standardmodellen har en supersymmetrisk partner eller "superpartner." Eftersom dessa superpartners har inte observerats, betyder det att symmetri är trasig, och att supersymmetri endast finns vid mycket höga energier. Enligt denna teori löses hierarkiproblemet av det faktum att de virtuella partiklarnas massbidrag och deras superpartners avbryter, vilket tar bort de uppenbara skillnaderna i standardmodellen. Det finns emellertid ett problem med supersymmetri.

Grundämnen som bildar partiklar som kvark kommer i tre generationer eller "smaker" med olika massor. När supersymmetri bryts verkar det som om en hel mängd interaktioner kan inträffa, varav vissa skulle förändra smaken hos dessa partiklar. Eftersom dessa interaktioner inte observeras experimentellt måste någon teori om supersymmetribrytning på något sätt innehålla en mekanism som förhindrar vad som kallas smaköverträdelser.

Det är här som sekvestering kommer in. När vi återgår till konceptet med tredimensionella klossar som flyter i en högre dimensionell bulk, är det möjligt att sekvestera supersymmetri som bryter till en separat kloss från det som partiklarna och krafterna i standardmodellen ligger på. De supersymmetriska brytningseffekterna kan kommuniceras till standardmodellen med hjälp av kraftbärande partiklar som kan röra sig inom bulk, men annars skulle standardmodellpartiklarna uppträda på samma sätt som vid obruten supersymmetri. Partiklar i huvuddelen som kan interagera med både den symmetribrytande klänningen och standardmodellen klättra skulle bestämma vilka interaktioner som kan inträffa och kan utesluta de smakförändringsinteraktioner vi inte observerar. Teorin fungerar bra om graviton - den hypotetiska tyngdkraftsbärande partikeln - spelar denna roll.

Till skillnad från många andra idéer som rör strängteori och M-teori, verkar det vara möjligt att testa sekvenserad supersymmetri. Det gör förutsägelser för massorna av superpartnerna i bosonerna - kraftbärande partiklar - som ligger inom området för energier som kan uppnås av Large Hadron Collider (LHC). Om dessa partiklar observeras av LHC kan deras massor matchas med vad som förutses. Från och med 2011 har experiment på LHC emellertid misslyckats med att upptäcka dessa superpartners vid de energier som de förväntades visas, ett resultat som verkar utesluta den enklaste versionen av SUSY, även om inte några mer komplexa versioner. Även om SUSY har visat sig fel kan tanken på sekvestering fortfarande ha användbara applikationer med avseende på andra problem och mysterier inom fysik.