Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Новости LHC
Мониторы LHC
Результаты, полученные на LHC
LHC в работе
Устройство и задачи LHC
Физика элементарных частиц
Образовательные онлайн-ресурсы по ФЭЧ и LHC
Величины в ФЭЧ и их единицы измерения
Как изучают элементарные частицы
Эксперименты на адронных коллайдерах
Стандартная модель
Трудности Стандартной модели
За пределами Стандартной модели
Суперсимметрия
Хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии
Галерея
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Архив журнала «Химия и жизнь» за 40 лет!

На 4 CD или 1 DVD





Главная / LHC / Физика элементарных частиц / Стандартная модель / Суперсимметрия

Суперсимметрия

Вначале сделаем маленькое предупреждение. Обилие слов с приставкой «супер-» на этой странице может показаться забавным, но это всё стандартные, устоявшиеся термины. Эта приставка не является эквивалентом чего-то этакого «сверхкрутого», а всего лишь указывает на то, что речь идет про теории, смешивающие бозоны и фермионы. В научной литературе за суперсимметрией закрепилось сокращение SUSY (читается «сьюзи»).

В Стандартной модели есть четкое противопоставление между частицами материи и частицами-переносчиками взаимодействий. Фундаментальные «кирпичики» материи — кварки и лептоны — являются фермионами, частицами со спином 1/2 (полуцелым спином), в то время как все частицы — переносчики сил (фотон, глюоны, W- и Z-частицы) являются бозонами, частицами со спином 1 (целым спином). Фермионы и бозоны ведут себя настолько по-разному, что, казалось бы, нет никакой возможности «поженить» их друг с другом.

Однако именно это удается сделать в рамках математических теорий, опирающихся на идею суперсимметрии — симметрии между фермионами и бозонами. Оказывается, и фермионы, и бозоны можно рассматривать как части некоторого единого семейства, называемого супермультиплетом частиц. Этот супермультиплет описывает частицы, которые двигаются в суперпространстве — расширении обычного четырехмерного пространства-времени, к которому добавляются совершенно необычные измерения с некоммутирующими координатами. Оказывается, если супермультиплет повернуть в этом суперпространстве, то бозоны могут превратиться в фермионы и наоборот. Иными словами, бозоны и фермионы — это лишь разные проекции на наш обычный мир единого объекта, живущего в суперпространстве.

Суперсимметрия может на первый взгляд показаться чрезвычайно искусственной конструкцией, попыткой «притянуть за уши» излишне сложную математику к описанию нашего мира. Однако когда дело доходит до построения конкретных теорий за пределами Стандартной модели, у суперсимметричных моделей обнаруживается редкая мощь, способность решать проблемы, которые трудно решить как-то иначе (приблизительно нулевая энергия вакуума, естественное возникновение хиггсовского механизма, устранение проблемы иерархии, более сильные свидетельства в пользу теории объединения взаимодействий и т. п.).

По этой причине суперсимметрия уже давно воспринимается не как экзотическая гипотеза, а как один из самых главных вариантов физики за пределами Стандартной модели. Полезно также напомнить, что теория неабелевых калибровочных взаимодействий, предложенная Янгом и Миллсом в 1954 году, тоже поначалу казалась чем-то совершенно абстрактным и не имеющим отношения к физической реальности. Тем не менее сейчас это ключевой элемент Стандартной модели.

Суперсимметрия в реальном мире

Рис. 1. Частицы в Минимальной суперсимметричной стандартной модели (MSSM): частицы Стандартной модели, пять хиггсовских бозонов, плюс полный набор суперпартнеров этих частиц. Красным цветом отмечены фермионы, а синим и зеленым — бозоны. Изображение с сайта www.science20.com
Рис. 1. Частицы в Минимальной суперсимметричной стандартной модели (MSSM): частицы Стандартной модели, пять хиггсовских бозонов, плюс полный набор суперпартнеров этих частиц. Красным цветом отмечены фермионы, а синим и зеленым — бозоны. Изображение с сайта www.science20.com

Идею суперсимметрии можно применить к реальному миру (см. рис. 1). Правда, в этом случае частица вещества (например, электрон) входит в один супермультиплет не с известными бозонами, а с некоторой новой частицей, которая называется «скалярный суперпартнер электрона», или, коротко, «сэлектрон». Аналогичный суперпартнер есть у каждого фермиона; называется он так же, как исходная частица, только с приставкой «с-» (смюон, скварк и т. д.), а обозначается той же буквой, только с тильдой. Все суперпартнеры фермионов — бозоны. Частицы-переносчики взаимодействий (а также хиггсовские бозоны) тоже входят в свои супермультиплеты, и их суперпартнеры являются фермионами. Название частиц получается в этом случае путем добавления суффикса «-ино»: фотино, хиггсино, глюино и т. д.

Если бы суперсимметрия строго выполнялась в нашем мире, массы частиц и их суперпартнеров были бы равны. Но среди экспериментально открытых элементарных частиц мы не видим ни одного примера такого суперпартнерства. Значит, суперсимметрия — если она вообще реализуется в нашем мире — должна быть нарушена. Наиболее привлекателен для теоретиков механизм спонтанного нарушения суперсимметрии: то есть теория формулируется симметрично, но решения, описывающие наш мир, симметрию теряют.

Как симметрии вообще могут спонтанно нарушаться, теоретики знают; спонтанное нарушение электрослабой симметрии — яркий тому пример. Нарушение суперсимметрии должно сделать суперчастицы массивными, с массами в районе сотен ГэВ или выше. К сожалению, нет четкого предсказания масштаба масс суперчастиц; их значения сильно зависят от устройства моделей. Тем не менее, если нам «повезет» и энергия Большого адронного коллайдера достигнет этого диапазона, в нём начнут в изобилии рождаться суперчастицы.

(Подробнее про поиск суперсимметрии на LHC)

Варианты суперсимметричных теорий

Разработано много разновидностей суперсимметричных теорий, которые при низких энергиях похожи на Стандартную модель и не противоречат имеющимся сейчас экспериментальным данным. Поскольку суперсимметрия до сих пор не открыта экспериментально, теоретики при построении таких моделей руководствуются прежде всего математической самосогласованностью теории.

Один из главных параметров суперсимметричных моделей — это число N, которое показывает, сколько типов суперсимметрии заложено в теорию. Так называемая Минимальная суперсимметричная стандартная модель (MSSM) отвечает N = 1; а максимально суперсимметричная теория без гравитации, включающая калибровочные взаимодействия, имеет N = 4. К слову сказать, эта теория оказалась настолько замечательной, а развитые в ней методы решения оказались насколько мощными, что ее сейчас вовсю используют как «простую модель» теории сильных взаимодействий.

Рис. 2. Спектр масс суперсимметричных частиц в одной из разновидностей MSSM. Изображение из статьи arXiv:0808.4128
Рис. 2. Спектр масс суперсимметричных частиц в одной из разновидностей MSSM. По вертикали отложена масса частиц в ГэВ, а черточки разных цветов отвечают частицам разного типа. Красным показаны хиггсовские бозоны, сиреневым — слептоны, синим — суперпартнеры калибровочных бозонов, зеленым — скварки. Такой спектр масс был бы легко заметен на LHC уже в первые месяцы работы. Изображение из статьи arXiv:0808.4128

Разные виды суперсимметричных теорий могут сильно различаться своим спектром масс частиц, то есть тем, как именно массы разных суперсимметричных частиц располагаются друг относительно друга. На рис. 2 для примера показан массовый спектр одной конкретной разновидности MSSM с довольно легкими частицами.

Так же как электрослабую симметрию можно нарушить разными вариантами хиггсовского механизма, существуют и разные механизмы нарушения суперсимметрии. Опять же, в отсутствие прямых экспериментальных данных, теоретики конструируют и изучают, опираясь на самосогласованность и предсказательную силу возникающей теории. Среди прочих возможностей в нарушении суперсимметрии может принимать участие и гравитация.

Несмотря на разнообразие вариантов суперсимметричных моделей, у них есть общие характерные предсказания.

  • Хиггсовский сектор должен быть устроен сложнее, чем в Стандартной модели. В минимальном варианте суперсимметричных теорий имеются два хиггсовских дублета, в более сложных вариантах появляются и дополнительные бозоны Хиггса.
  • Во многих вариантах суперчастицы должны рождаться только парами и не могут распадаться только на обычные частицы. У них есть характеристика, этакая «суперность» (в научной терминологии, R-четность), которая сохраняется при реакциях и распадах. Поэтому судьба любой суперсимметричной частицы, родившейся на коллайдере, такова: она испытывает каскад распадов с излучением разных частиц Стандартной модели (кварков, лептонов и т. д.), и в конце концов превращается в легчайшую суперсимметричную частицу. Будучи стабильной, легчайшая суперсимметричная частица уже не распадается, а просто улетает прочь, незамеченная детектором. Такие легчайшие суперсимметричные частицы являются естественным кандидатом на роль темной материи: у них подходящие массы и «правильные» свойства.

К сожалению, заранее нельзя предсказать, при каких энергиях начнут рождаться суперчастицы. Не исключено, что, даже если суперсимметрия существует, этот порог находится при энергиях существенно выше 1 ТэВ. В таком случае прямое рождение суперчастиц будет невозможным ни на LHC, ни на коллайдерах следующего поколения.

Дополнительная литература:

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия