Суперсимметрия под прицелом: Экспериментальные ограничения и будущее физики

Мы, как исследователи и энтузиасты науки, всегда стремимся к пониманию фундаментальных законов, управляющих Вселенной. Суперсимметрия (SUSY) долгое время была одним из самых привлекательных кандидатов на роль теории, расширяющей Стандартную модель физики элементарных частиц. Она обещала решить многие проблемы, с которыми сталкивается современная физика, такие как иерархия масс, темная материя и объединение фундаментальных сил.

Но, как часто бывает в науке, реальность оказывается сложнее наших самых смелых предположений. Эксперименты, проводимые на Большом адронном коллайдере (LHC) и других установках, пока не предоставили убедительных доказательств существования суперсимметричных партнеров известных частиц. Это ставит под сомнение многие популярные модели SUSY и заставляет нас переосмыслить наши подходы к поиску новой физики.

Что такое суперсимметрия?

В своей основе, суперсимметрия – это гипотетическое расширение пространства-времени, которое связывает бозоны (частицы-переносчики сил) и фермионы (частицы материи). Каждая известная частица должна иметь суперпартнера – частицу с другим спином, но идентичными всеми другими зарядами. Например, у электрона (фермиона) должен быть суперпартнер – селектрон (бозон), а у фотона (бозона) – фотино (фермион).

Теоретически, SUSY решает ряд проблем Стандартной модели:

• Иерархия масс: Объясняет, почему масса бозона Хиггса намного меньше, чем предсказывает Стандартная модель.
• Темная материя: Предоставляет естественного кандидата на частицу темной материи – самый легкий стабильный суперпартнер (LSP).
• Объединение сил: Позволяет объединить электромагнитную, слабую и сильную силы при высоких энергиях.

Но, как мы уже упоминали, экспериментальные данные пока не подтверждают эти предсказания.

Экспериментальные ограничения на суперсимметрию

Большой адронный коллайдер (LHC) является основным инструментом для поиска суперсимметричных частиц. Он позволяет сталкивать протоны при очень высоких энергиях, создавая условия, необходимые для рождения новых, более тяжелых частиц.

К сожалению, после многих лет работы LHC, мы не обнаружили никаких явных признаков SUSY. Эксперименты ATLAS и CMS установили строгие ограничения на массы суперпартнеров. Например, массы скварков (суперпартнеров кварков) и глюино (суперпартнеров глюонов) должны быть значительно выше 1 ТэВ, а в некоторых случаях и выше 2 ТэВ. Это означает, что SUSY, если она существует, должна быть реализована каким-то более сложным способом, чем мы изначально предполагали.

Эти ограничения ставят под сомнение простые модели SUSY, такие как Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), которая предсказывает относительно легкие суперпартнеры. Они также заставляют нас пересмотреть наши стратегии поиска и рассмотреть более сложные и экзотические сценарии SUSY.

Конкретные экспериментальные результаты

Чтобы лучше понять текущую ситуацию, давайте рассмотрим некоторые конкретные результаты экспериментов:

1. Поиск скварков и глюино: ATLAS и CMS искали события с большим количеством адронов (джетов) и отсутствующей поперечной энергией (MET), что является сигнатурой распада скварков и глюино на LSP. Не было обнаружено никаких значимых отклонений от фона Стандартной модели.
2. Поиск электрослабых суперпартнеров: Искались чарджино и нейтралино (суперпартнеры W- и Z-бозонов и бозона Хиггса) в различных каналах распада, включая лептонные и адронные. Снова, никаких явных признаков SUSY не было обнаружено.
3. Поиск R-parity violating SUSY: R-parity – это гипотетическая симметрия, которая предотвращает распад суперпартнеров на обычные частицы. Если R-parity нарушена, суперпартнеры могут распадаться напрямую на кварки и лептоны, что приводит к другим сигнатурам. Эксперименты также установили ограничения на такие модели.

Возможные объяснения отсутствия сигналов SUSY

Почему мы не видим суперсимметрию? Есть несколько возможных объяснений:

• Суперпартнеры слишком тяжелые: Возможно, массы суперпартнеров находятся за пределами досягаемости LHC. Для их обнаружения потребуются коллайдеры с более высокой энергией.
• Скрытая суперсимметрия: Существуют модели SUSY, в которых суперпартнеры взаимодействуют слабо и трудно обнаруживаются. Например, они могут распадаться на другие невидимые частицы, такие как аксионы.
• Неправильная модель: Возможно, MSSM – это просто неправильная модель SUSY. Существуют более сложные модели SUSY, которые могут лучше соответствовать экспериментальным данным.
• Суперсимметрии не существует: Самый радикальный вариант – SUSY не является фундаментальной симметрией природы. Возможно, есть другие, еще не открытые принципы, которые решают проблемы Стандартной модели.

Будущее поиска суперсимметрии

Несмотря на отсутствие прямых доказательств, мы не должны отказываться от поиска суперсимметрии. Есть несколько направлений, которые могут быть перспективными:

• High-Luminosity LHC (HL-LHC): Увеличение светимости LHC позволит собрать больше данных и повысить чувствительность к редким событиям.
• Future Circular Collider (FCC): Предлагаемый коллайдер с окружностью 100 км и энергией до 100 ТэВ откроет новые возможности для поиска суперпартнеров.
• Разработка новых методов поиска: Необходимо разрабатывать новые, более эффективные методы поиска SUSY, которые будут учитывать различные сценарии и сигнатуры.
• Комплементарные эксперименты: Поиск темной материи, измерение дипольного момента электрона и другие эксперименты могут предоставить косвенные доказательства существования SUSY.

Нам необходимо продолжать исследовать различные возможности и не бояться пересматривать наши предположения. Наука – это постоянный процесс обучения и открытия, и даже неудачи могут привести к новым прорывам.

Альтернативные теории

Отсутствие экспериментальных подтверждений SUSY заставляет нас рассмотреть альтернативные теории, которые могут решить проблемы Стандартной модели:

• Техниколор: Теория, в которой бозон Хиггса является составной частицей, образованной новыми сильными взаимодействиями.
• Экстра измерения: Теория, в которой существует больше, чем три пространственных измерения, и гравитация распространяется в этих дополнительных измерениях.
• Preon models: Модели, в которых кварки и лептоны являются составными частицами, образованными более фундаментальными объектами, называемыми преонами.

Эти теории также имеют свои проблемы и требуют экспериментальной проверки. Но важно помнить, что наука – это не догма, а постоянный поиск истины.

Проблема суперсимметрии – это сложный и многогранный вопрос. Экспериментальные ограничения, установленные LHC, ставят под сомнение многие популярные модели SUSY, но не исключают ее существование полностью. Нам необходимо продолжать поиски, разрабатывать новые методы и рассматривать альтернативные теории. Будущее физики элементарных частиц остается неопределенным, но именно это делает его таким захватывающим.

Мы должны помнить, что наука – это не только поиск ответов, но и постановка новых вопросов. Даже если мы не найдем суперсимметрию, сам процесс поиска может привести к новым открытиям и углублению нашего понимания Вселенной.

Подробнее

Суперсимметрия и LHC	Ограничения на массы суперпартнеров	Темная материя и SUSY	MSSM и экспериментальные данные	Альтернативные теории физики частиц
Будущее поиска SUSY	Скрытая суперсимметрия	R-parity violation	Иерархия масс и SUSY	Эксперименты ATLAS и CMS