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

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.

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. 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

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