Физики подводят предварительные итоги поиска суперсимметрии

Рис. 1. Один из многочисленных вариантов поиска суперсимметричных частиц сильно ограничивает пространство возможных параметров. В этом анализе коллаборация ATLAS изучила процесс парного рождения глюино (его масса по горизонтали) с распадом на топ-кварковую пару и невидимое нейтралино (его масса — по вертикали). Отсутствие сигнала позволяет исключить область, ограниченную сплошными кривыми. Серая область была закрыта еще по результатам Run 1. Изображение с сайта atlas.web.cern.ch

Суперсимметрия — одна из самых мощных и привлекательных концепций в теоретической физике частиц, идея, вот уже тридцать лет пронизывающая поиски Новой физики. Число теоретических статей, изучающих структуру и последствия суперсимметричных теорий, исчисляется тысячами. Даже когда кто-то предлагает новую модель без суперсимметрии, то рано или поздно другие теоретики проверяют и суперсимметричный ее вариант.

Не менее интенсивно идет и экспериментальный поиск проявлений суперсимметрии: число экспериментальных работ, вероятно, тоже перевалило за тысячу. Этот поток работ стал особенно заметным в последние годы, когда Большой адронный коллайдер вышел на полную мощность. Коллаборации ATLAS и CMS сейчас ведут свыше сотни различных поисков частиц-суперпартнеров, и к каждой крупной конференции они выдают десятки новых результатов. Все они, к сожалению, до сих пор отрицательные. По результатам Run 1 обнаружилось несколько разных намеков на потенциально интересный сигнал, но после анализа новых данных они сошли на нет.

Страницы ATLAS и CMS со сводкой поисков суперсимметрии внушают два чувства: восхищение теми усилиями, которые тысячи физиков вкладывали в эти результаты несколько лет, и разочарование от того, что сотни поисков так и не привели к открытию. Эти чувства возникают подчас и у самих физиков, поэтому на конференциях то и дело слышатся вопросы о том, не закрыта ли суперсимметрия и есть ли смысл продолжать ее искать столь же интенсивно. Ниже мы кратко обрисуем нынешнюю ситуацию с поиском суперсимметрии, взяв за основу недавние обзорные доклады (в частности, доклады Supersymmetry and Exotics searches и SUSY and BSM Theory after LHC16 на конференции EPS HEP 2017).

Во-первых, еще раз подчеркнем, что сама по себе идея суперсимметрии допускает огромное множество конкретных реализаций. Нет никакого принципа, который позволил бы однозначно выбрать конкретную реализацию. По этой причине теоретики не могут точно предсказать ни массы частиц-суперпартнеров, ни другие детали теории. Вместо этого они вынуждены перебирать разные варианты и смотреть, какие у них есть проверяемые последствия. К сожалению, пространство всех реализаций настолько огромно, что перебрать все заметно различающиеся варианты просто нереально.

В преддверии запуска LHC физики ограничивались лишь самыми простыми реализациями, тем, что называется MSSM — минимальная суперсимметричная стандартная модель. Они надеялись, что, как только запустят коллайдер, новые частицы довольно быстро проявят себя, и уже тогда можно будет приниматься за адаптацию данных в рамках той или иной реализации. Но ситуация оказалась не столь радужной: Run 1 не принес никаких уверенных открытий, и физики начали расширять пространство поисков. Но даже в таких расширенных поисках нет никаких гарантий, что частицы-суперпартнеры будут доступны для открытия на LHC — ведь они запросто могут быть тяжелее нескольких ТэВ. Поэтому даже если коллайдер ничего не обнаружит, это не закроет саму идею суперсимметрии. Теория по-прежнему будет находиться в подвешенном состоянии, хотя многим такая ситуация кажется не слишком естественной.

Во-вторых, коллайдер имеет сильно различающуюся чувствительность к разным реализациями суперсимметрии. Главное внимание надо обращать на частицы — суперпартнеры кварков (они называются скварки) и глюонов (глюино). Такие частицы участвуют в сильном взаимодействии и должны хорошо рождаться в столкновениях протонов. Поэтому глюино с массой 1–2 ТэВ коллайдер вполне мог бы увидеть. Отсутствие сигнала позволяет установить ограничение снизу на массу глюино в районе 2 ТэВ (рис. 1).

Важно подчеркнуть, что эти ограничения на массу глюино — довольно сильные уже сейчас, при нынешней накопленной статистике. Увеличение статистики даже в 100 раз (то есть к середине 2030-х годов, когда завершится HL-LHC) позволит его улучшить ненамного, ориентировочно до 3 ТэВ. Поэтому, хотя анализ такого типа будет регулярно повторяться по мере набора данных, кажется маловероятным, что этот канал принесет какие-нибудь сюрпризы.

Однако возможны и другие реализации суперсимметрии — и именно к ним сейчас смещается интерес. В них сильно взаимодействующие скварки и глюино очень тяжелые, коллайдер их не увидит, а доступными для изучения будут частицы — суперпартнеры лептонов, фотона, W- или Z-бозона или даже хиггсовских бозонов. Эти частицы рождаются на LHC не столь интенсивно, поэтому и проверять эти варианты тяжелее. Здесь поиски тоже пока не показали никаких отклонений, но вытекающие отсюда ограничения на массу частиц — куда более слабые, примерно 400–500 ГэВ, а в отдельных случаях и того меньше. Вот эти ограничения можно усилить в 2–3 раза. К тому же здесь можно рассчитывать на более прозорливые алгоритмы анализа данных, которые позволят разглядеть сигнал в запутанных ситуациях.

Здесь будет уместно упомянуть результат недавнего теоретического исследования, который появился в статье arXiv:1705.07935. Большой коллектив авторов решил изучить такой вопрос: предположим, что суперсимметрия всё же присутствует в нашем мире в одной из трех популярных реализаций — CMSSM, NUHM1 или NUHM2 (пояснения см. в новости Суперсимметрия в свете данных LHC: что делать дальше?, «Элементы», 01.07.2013). Можно ли тогда на основании всех имеющихся экспериментальных данных и астрофизических наблюдений, включая данные по темной материи, выяснить, какой вариант суперсимметрии лучше всего в них вписывается? Результат исследования приведен на рис. 2. Здесь показан набор масс суперсимметричных частиц в таком оптимальном варианте модели CMSSM. В нем глюино и дополнительные бозоны Хиггса оказываются тяжелыми, а легчайшими частицами становятся нейтралино и один топ-скварк, которые играют роль частиц темной материи. Этот сценарий не противоречит современным данным и его можно будет протестировать на LHC в будущем.

Рис. 2. Спектр частиц-суперпартнеров для предпочтительного варианта модели CMSSM. Изображение из статьи GAMBIT Collaboration, 2017. Global fits of GUT-scale SUSY models with GAMBIT

В целом, несмотря на широко разделяемое, но не слишком афишируемое разочарование в результатах, общее направление исследований суперсимметрии вряд ли претерпит резкие изменения в ближайшем будущем. Суперсимметрия предоставляет слишком большое число новых возможностей для поиска, чтобы было так просто от нее отмахнуться. Кроме того, оказывается, что результаты поиска суперсимметрии удобно «переводить» на язык других теорий Новой физики. Однако конкретный набор процессов и общая программа исследования, видимо, потребуют корректировки.