British Columbian yliopiston fyysikko Moshe Rozali selittää.

Nämä luvut näyttävät olevan valikoituneita etsittäessä perustavanlaatuista aineteoriaa. Mitä enemmän tutkitaan aineen perusrakennetta, sitä yksinkertaisemmaksi asiat näyttävät muuttuvan. Kehittäessään uusia teorioita, jotka voivat kattaa nykyiset, tutkijat etsivät lisää yksinkertaisuutta symmetrian muodossa. Sen lisäksi, että symmetria on eleganttia, siitä on hyötyä myös kilpailevien mallien määrän rajoittamisessa. Mitä enemmän symmetriaa on, sitä vähemmän symmetriaan sopivia malleja on olemassa.

Yksi hyödylliseksi tällaiseksi symmetriaksi kutsutaan supersymmetriaa, joka yhdistää fermionien muodossa olevan materian bosonien muodossa oleviin voimankantajiin. Tämä on elegantti symmetria, joka yhdistää maailmankaikkeutemme näennäisesti erilaisia puolia. Vaikka tämä symmetria on vielä teoreettinen, Large Hadron Collider, jonka on määrä aloittaa toimintansa vuosikymmenen loppuun mennessä, etsii sitä kokeellisesti. Fermionit ja bosonit eroavat toisistaan spininä tunnetun ominaisuuden perusteella. Kvanttiyksiköissä fermioneilla on puolen kokonaisluvun spin, kun taas bosoneilla on kokonaisluvun spin. Supersymmetria suhteuttaa puolet erilaisten hiukkasten spinit toisiinsa. Esimerkiksi elektronilla, jolla on spin , ajatellaan olevan kumppani nimeltä selektroni, jolla on spin 0; tässä mielessä elektroni ja selektroni ovat peilikuvia. Kaikki niiden ominaisuudet liittyvät toisiinsa symmetrian avulla. Niin myös bosoni ja fermioni voivat liittyä toisiinsa tällä symmetrialla.

Mutta supersymmetriaa voi olla useampi kuin yksi, aivan kuten peilin asentoon voi olla useampi kuin yksi tapa. Yksi supersymmetria yhdistää bosonin ja fermionin. Jos tällaisia symmetrioita on muitakin, ne yhdistävät useampia bosoneja ja fermioneja ja siten yhdistävät useampia maailmankaikkeutemme osa-alueita. Esimerkiksi ylimääräisen supersymmetrian avulla elektronilla ja selektronilla olisi ylimääräisiä kumppaneita, joiden spin on 0 ja 1. Symmetria rajoittaisi myös sitä, missä muodossa nämä kumppanit voivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.

Viime kädessä kuitenkin liian suuri määrä symmetriaa yksinkertaistaa teoriaa niin paljon, että se on triviaali. Kaikki hiukkaset eivät kykene vuorovaikutukseen toistensa tai mittalaitteidemme kanssa. Tämä ei todellakaan ole hyvä asia teoreetikon rakennettavaksi, joten tavoitteena on saada aikaan mahdollisimman suuri määrä symmetriaa, joka silti mahdollistaa mielenkiintoisen fysiikan.

Oppaana tässä pyrkimyksessä on fyysikkojen Steven Weinbergin ja Edward Wittenin kehittämä teoreema, joka todistaa, että teoriat, jotka sisältävät hiukkasia, joiden spin on suurempi kuin 2, ovat triviaaleja. Muista, että jokainen supersymmetria muuttaa spinin puoleen. Jos haluamme spinin olevan välillä -2 ja 2, meillä ei voi olla enempää kuin kahdeksan supersymmetriaa. Tuloksena syntyvä teoria sisältää spin-2-bosonin, joka on juuri se, mitä tarvitaan gravitaatiovoiman välittämiseen ja siten kaikkien fysikaalisten vuorovaikutusten yhdistämiseen yhteen teoriaan. Tämä teoria – jota kutsutaan N=8 supergravitaatioksi – on maksimaalisen symmetrinen teoria, joka on mahdollinen neljässä ulottuvuudessa, ja sitä on tutkittu intensiivisesti 1980-luvulta lähtien.

Toinen symmetriatyyppi syntyy, kun kappale pysyy samana, vaikka sitä pyöritetään avaruudessa. Koska tyhjässä avaruudessa ei ole mieluisia suuntia, pyörimiset kolmessa ulottuvuudessa ovat symmetrisiä. Oletetaan, että maailmankaikkeudessa olisi muutama ylimääräinen ulottuvuus. Tämä johtaisi ylimääräisiin symmetrioihin, koska tässä laajennetussa avaruudessa olisi enemmän tapoja kiertää esinettä kuin kolmiulotteisessa avaruudessamme. Kaksi kohdetta, jotka näyttävät erilaisilta näköalapaikaltamme kolmessa näkyvässä ulottuvuudessa, saattaisivat itse asiassa olla sama kohde, jota on kierretty eriasteisesti korkeampiulotteisessa avaruudessa. Siksi näiden näennäisesti erilaisten esineiden kaikki ominaisuudet liittyvät toisiinsa; jälleen kerran yksinkertaisuus olisi maailmamme monimutkaisuuden taustalla.

Nämä kaksi symmetriatyyppiä näyttävät hyvin erilaisilta, mutta nykyaikaiset teoriat pitävät niitä saman kolikon kahtena puolena. Kierrot korkeampiulotteisessa avaruudessa voivat muuttaa yhden supersymmetrian toiseksi. Supersymmetrioiden lukumäärän rajoitus asettaa siis rajoituksen ylimääräisten ulottuvuuksien lukumäärälle. Rajaksi osoittautuu 6 tai 7 ulottuvuutta neljän pituus-, leveys-, korkeus- ja aikaulottuvuuden lisäksi, ja molemmat vaihtoehdot johtavat täsmälleen kahdeksaan supersymmetriaan (M-teoria on ehdotus molempien tapausten yhdistämiseksi edelleen). Enemmän ulottuvuuksia johtaisi liian suureen määrään supersymmetriaa ja teoreettiseen rakenteeseen, joka olisi liian yksinkertainen selittämään luonnonmaailman monimutkaisuutta.