Суперсимметрия под прицелом: Экспериментальные тупики и надежды на будущее

Суперсимметрия (SUSY) – это красивая и элегантная теоретическая концепция, которая долгое время занимала центральное место в физике элементарных частиц. Она предлагает радикальное расширение Стандартной модели, связывая бозоны и фермионы – два фундаментальных типа частиц – посредством гипотетической симметрии. Мы, как энтузиасты науки, всегда завороженно следили за ее развитием, надеясь, что она станет ключом к разгадке многих загадок Вселенной. Но, к сожалению, экспериментальные поиски суперсимметрии пока не принесли ожидаемых результатов. И в этой статье мы поделимся нашими размышлениями об этих неудачах, о том, почему SUSY до сих пор не обнаружена, и о том, какие перспективы остаются у этой теории.

Что такое суперсимметрия?

Суперсимметрия, в своей основе, утверждает, что для каждой известной частицы в Стандартной модели существует партнер – суперпартнер – с другим спином. Например, для электрона (фермиона со спином 1/2) должен существовать "сэлектрон" (бозон со спином 0), а для фотона (бозона со спином 1) – "фотино" (фермион со спином 1/2). Эти суперпартнеры решают некоторые из наиболее острых проблем Стандартной модели, такие как иерархия масс и необходимость введения тонкой настройки параметров.

Более конкретно, SUSY предлагает решение проблемы иерархии, объясняя, почему гравитация такая слабая по сравнению с другими фундаментальными силами. Она также может обеспечить естественного кандидата на роль темной материи – невидимой субстанции, составляющей большую часть массы Вселенной. Кроме того, суперсимметрия является ключевым компонентом многих теорий струн, которые стремятся объединить все фундаментальные силы в единую теорию.

Экспериментальные поиски суперсимметрии: неудачи и ограничения

На протяжении многих лет физики по всему миру активно искали признаки суперсимметрии в экспериментах на ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер (LHC) в CERN. Однако, несмотря на огромные усилия и колоссальные объемы собранных данных, до сих пор не было обнаружено никаких убедительных доказательств существования суперпартнеров.

Ограничения на массы суперпартнеров

Эксперименты на LHC установили строгие ограничения на массы суперпартнеров. В частности, массы скварков (суперпартнеров кварков) и глюино (суперпартнеров глюонов) должны быть значительно выше 1 ТэВ (тераэлектронвольт), а в некоторых случаях и выше нескольких ТэВ. Это означает, что суперпартнеры, если они существуют, гораздо тяжелее, чем первоначально предполагалось.

Эти ограничения серьезно подрывают мотивацию для простой суперсимметрии, поскольку они требуют большей тонкой настройки параметров теории. Чем тяжелее суперпартнеры, тем больше требуется "подгонять" параметры Стандартной модели, чтобы объяснить наблюдаемые значения масс и констант связи.

Отсутствие сигналов в других экспериментах

Помимо экспериментов на LHC, суперсимметрию искали и в других типах экспериментов, таких как эксперименты по поиску темной материи и по измерению аномального магнитного момента мюона. Однако и в этих экспериментах не было обнаружено никаких признаков SUSY.

Например, эксперименты по поиску темной материи, такие как XENON и LUX-ZEPLIN, ищут слабые взаимодействия между частицами темной материи и обычным веществом. Если бы темная материя состояла из легких суперпартнеров, таких как нейтралино, то эти эксперименты должны были бы обнаружить сигналы их взаимодействия. Однако пока таких сигналов не было обнаружено.

Возможные объяснения отсутствия суперсимметрии

Почему же суперсимметрия до сих пор не обнаружена? Существует несколько возможных объяснений:

• Суперпартнеры слишком тяжелые. Возможно, массы суперпартнеров находятся за пределами досягаемости современных ускорителей. В этом случае нам понадобятся более мощные ускорители, чтобы обнаружить их.
• Суперсимметрия нарушена сложным образом. Возможно, суперсимметрия нарушена сложным образом, который делает суперпартнеров трудно обнаруживаемыми. Например, суперпартнеры могут распадаться на другие, более экзотические частицы, которые трудно идентифицировать.
• Суперсимметрии не существует. Возможно, суперсимметрия – это просто красивая математическая конструкция, которая не имеет никакого отношения к реальному миру.

Альтернативные модели

В связи с отсутствием экспериментальных подтверждений суперсимметрии, физики начали активно исследовать альтернативные модели, которые могут решить проблемы Стандартной модели без привлечения SUSY. Некоторые из этих моделей включают:

1. Техноцвет. Эта модель предполагает, что бозон Хиггса не является элементарной частицей, а состоит из более фундаментальных частиц, связанных новой силой – техноцветом.
2. Дополнительные измерения. Эта модель предполагает, что Вселенная имеет больше трех пространственных измерений, и что гравитация распространяется во все измерения, а другие силы ограничены нашим трехмерным миром.
3. Составные кварки и лептоны. Эта модель предполагает, что кварки и лептоны не являются элементарными частицами, а состоят из еще более фундаментальных частиц – преонов.

Надежды на будущее

Несмотря на все неудачи, мы не теряем надежду на то, что суперсимметрия все еще может быть обнаружена. Существует несколько причин для оптимизма:

• LHC продолжает работать. Большой адронный коллайдер продолжает собирать данные, и в будущем он будет модернизирован, что позволит ему достигать еще более высоких энергий. Возможно, новые данные и более высокая энергия позволят обнаружить суперпартнеров, которые были недоступны ранее.
• Новые эксперименты. Планируются новые эксперименты по поиску темной материи и по измерению аномального магнитного момента мюона, которые могут обнаружить признаки суперсимметрии.
• Теоретические разработки. Теоретики продолжают разрабатывать новые и более сложные модели суперсимметрии, которые могут объяснить отсутствие экспериментальных подтверждений.

Будущие эксперименты

В будущем планируется несколько крупных экспериментов, которые могут пролить свет на проблему суперсимметрии. К ним относятся:

• High-Luminosity LHC (HL-LHC). Модернизация LHC, которая позволит увеличить светимость коллайдера, что приведет к увеличению числа столкновений и повысит шансы на обнаружение редких процессов, таких как рождение суперпартнеров.
• Future Circular Collider (FCC). Проект нового коллайдера, который будет гораздо больше и мощнее LHC. FCC сможет достигать энергий в несколько раз выше, чем LHC, что позволит исследовать более тяжелые частицы и процессы.
• Experiments по поиску темной материи нового поколения. Новые эксперименты по поиску темной материи, такие как DARWIN и ARGO, будут обладать гораздо большей чувствительностью, чем существующие эксперименты, что повысит шансы на обнаружение сигналов взаимодействия темной материи.

Подробнее

Масса суперпартнеров	LHC и суперсимметрия	Темная материя и SUSY	Стандартная модель	Проблема иерархии
Альтернативные модели SUSY	Нарушение суперсимметрии	Эксперименты по SUSY	Теории струн	Будущее суперсимметрии