Суперсимметрия и объединение фундаментальных взаимодействий

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  № 27 (2021)

Состоявшаяся в Дубне IX международная конференция по суперсимметирии и объединению фундаментальных взаимодействий (SUSY’01) явилась первой конференцией этой серии в новом тысячелетии и ознаменовала собой 30-летний юбилей суперсимметрии.

Первая работа, в которой алгебра Пуанкаре была расширена антикоммутирующими спинорными генераторами, была опубликована в 1971 году Я.Гольфандом и Е.Лихтманом (ФИАН), затем в 1972 году появилась работа Д.Волкова и В.Акулова (ХФТИ) по нелинейным реализациям этой алгебры, впоследствии получившей название алгебры суперсимметрии. Однако среди физиков суперсимметрия завоевала популярность после работ Дж.Весса и Б.Зумино (ЦЕРН) и А.Салама и Дж.Страсди (ICTP, Триест) 1974 года, в которых впервые был написан суперсимметричный лагранжиан квантовой теории поля. Большой вклад в развитие суперсимметрии внесли и работы В.Огиевецкого (ОИЯИ) с соавторами, опубликованные в 1975 году, где был развит инвариантный суперполевой формализм. Он основан на использовании антикоммутирующих грассманновых переменных, анализ которых был ранее развит Ф.Березиным (МГУ).

За прошедшие с тех пор 30 лет физики и математики “суперсимметризовали” все, что поддается суперсимметризации, и построили суперсимметричный вариант Стандартной модели фундаментальных взаимодействий. Однако, несмотря на многочисленные попытки обнаружения суперсимметрии на ускорителях и в неускорительных опытах, экспериментально она пока еще не открыта.

В чем же причина такой популярности суперсимметрии и настойчивости по поиску ее проявлений? Она кроется в ее математической привлекательности и в элегантном решении ряда проблем, возникающих в теории фундаментальных взаимодействий.

Суперсимметрия:

• обеспечивает объединение с гравитацией (локальная суперсимметрия есть теория гравитации);
• приводит к объединению сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий (теория Великого объединения);
• решает проблему иерархий (одновременное существование больших и малых масштабов);
• создает недостающую темную материю во Вселенной.

Самая амбициозная теория – теория струны, претендующая на единое описание всех сил природы, требует суперсимметрии для непротиворечивости и устойчивости. При этом суперсимметрия позволяет получить точно решаемые модели без использования теории возмущений, что само по себе весьма нетривиально. Математическая привлекательность всегда служит путеводной нитью в построении новых теорий.

Суперсимметрия предсказывает существование нового семейства частиц, так называемых суперпартнеров обычных частиц, но со спином, отличающимся на 1/2. Так, в суперсимметричной версии Стандартной модели (СМ), получившей название Минимальной Суперсимметричной Стандартной Модели (МССМ), существуют скварки и слептоны спина 0, зарядино и нейтралино спина 1/2 , глюино и гравитино спина 1/2 и 3/2, соответственно. Причина, по которой мы не видим этих частиц, заключается в том, что они очень тяжелые, и энергии существующих ускорителей недостаточно для их рождения. Однако ситуация не безнадежна. Согласно предсказаниям МССМ, массы суперпартнеров лежат в интервале 100 – 1000 ГэВ, а некоторые частицы могут быть даже легче. Такие энергии достижимы уже на Тэватроне (Лаборатория им. Ферми, США) и Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе. Так что в течение ближайших 5-7 лет мы получим ответы на многие интригующие вопросы.

Всем этим вопросам, и не только этим, и была посвящена конференция. Прозвучало 35 пленарных и 75 секционных докладов. В конференции приняли участие ведущие ученые из ОИЯИ, России, Украины, Грузии, Словакии, Польши, Германии, ЦЕРНа, США, Канады, Великобритании, Франции, Италии, Испании, Голландии, Греции, Португалии, Израиля, Японии, Южной Кореи, Тайваня, Индии и Мексики. Тематика конференции была весьма разнообразна и включала в себя как теоретические, так и экспериментальные доклады по поиску суперсимметрии, представленные всеми мировыми коллаборациями.

Конференцию открыли доклады, посвященные последним результатам по аномальному магнитному моменту мюона и их суперсимметричной интерпретации (И.Логашенко, П.Нат, Р.Арновит). Эксперименты демонстрируют небольшое отклонение от СМ и вызывают повышенный интерес в связи с возможным проявлением “новой физики”. Будучи интерпретированы как вклад суперсимметрии, они указывают на наличие легких суперпартнеров.

Не убывает интерес к теориям Великого объединения и связанной с ними проблеме спектра масс кварков и лептонов и матрицы смешивания. В ряде докладов (С.Раби, Дж.Чкареули, К.Бабу) обсуждались суперсимметричные схемы объединения, основанные на различных калибровочных группах. Современные схемы включают в себя также массы и матрицу смешивания нейтрино. Интерес к этому направлению возник три года назад, когда ученые КЕК (Цукуба, Япония) сообщили о наблюдении осцилляций нейтрино. Несколько докладов на конференции были посвящены связи актуальной проблемы нейтринных масс и суперсимметричных теорий Великого объединения (Г.Алтарелли, Дж.Пати, Г.Сеньянович, Х.Валле).

В последнее время популярна деятельность, связанная с дополнительными измерениями пространства. Идея исходит из теории струны, которая предпочитает “жить” в 10 пространственно-временных измерениях. Существовавшая до сих пор единственная интерпретация основывалась на формализме Калуцы-Кляйна, когда 6 “лишних” измерений компактны, причем радиус компактификации настолько мал, что мы не ощущаем его. Однако в последнее время появилась другая интерпретация, согласно которой “лишние” измерения могут быть и некомпактны, а причина, по которой мы их не замечаем, состоит в том, что мы как бы находимся в потенциальной яме и не можем выйти в новые измерения. В этом подходе обычные 3 пространственных и одно временное измерения образуют гиперповерхность в многомерном пространстве – так называемую брану, и все взаимодействия и материальные объекты локализованы на бране, и только гравитация, и иногда другие силы, могут существовать во всем объеме. Проявлением “лишних” измерений в этом случае служит модификация закона тяготения Ньютона. Этой тематике было посвящено много теоретических докладов (Л.Ибаньез, Х.-П.Ниллес, В.Рубаков, З.Лалак, М.Цветич).

Математические проблемы суперсимметричных теорий, инвариантный формализм в теориях с расширенной суперсимметрией, интегрируемые модели и иерархии обсуждались в докладах И.Бухбиндера, Д.Сорокина и в многочисленных секционных докладах. В докладе М.Васильева были представлены последние результаты по построению калибровочных теорий с высшими спинами. Ряд докладов был посвящен теории струн и суперструн, активно развивающейся в последнее время, в частности непертурбативным аспектам теории (И.Арефьева). Доклады дубненских участников были посвящены широчайшему спектру вопросов: от изучения моделей дилатонной гравитации (А.Филиппов) и нетривиальных суперсимметричных версий квантовой механики (А.Нерсесян) до выявления геометрических аспектов и описания суперсимметричных протяженных объектов (Е.Иванов), и построения так называемых BRST зарядов для квантовых алгебр (А.Исаев).

Последней неоткрытой частицей Стандартной модели является хиггсовский бозон. Большинство верят в его существование, и его обнаружение позволило бы завершить картину, основанную на спонтанном нарушении симметрии. И хотя масса хиггсовского бозона в СМ не предсказывается, из косвенных соображений она не превышает нескольких сот ГэВ. Экспериментальные данные с ускорителя LEP (ЦЕРН) дают нижнюю границу в 113.4 ГэВ из данных по прямому рождению и верхнюю границу в 220 ГэВ из фита данных при учете радиационных поправок. В то же время, в суперсимметричных теориях масса хиггсовского бозона предсказывается, и в МССМ не превышает 130 ГэВ, а наиболее вероятное значение составляет 115-120 ГэВ. Поэтому сейчас поиску легкого хиггсовского бозона уделяется большое внимание, что нашло отражение в докладах на конференции (С.Андринга, Т.Хан, Э.Лоччи). Обнаружение хиггсовского бозона в предсказанном интервале явилось бы косвенным аргументом в пользу суперсимметрии.

Но, разумеется, только прямое наблюдение суперпартнеров явилось бы доказательством реализации суперсимметрии в физике частиц. Такие поиски ведутся сейчас на всех ускорителях мира (Х.Баер). На конференции были представлены доклады от четырех экспериментальных коллабораций LEP: ALEPH, DELPHI, L3, OPAL (А.Колалео, Э.Вошбрук, В.Теллили, К.Хенсель), двух коллабораций с Тэватрона: CDF, D0 (Д.Цыбышев, П.Петрофф), двух коллабораций с ускорителя HERA (Гамбург): Zeus, H1 (Л.Беллагамба, А.Ростовцев), а также результаты неускорительных экспериментов по поиску редких распадов специфических для суперсимметрии, таких как безнейтринный двойной бета-распад и др. (Х.Клапдор-Кляйнгротхаус, М.Вивер). Ни один эксперимент не видит суперсимметрии и позволяет лишь установить нижнюю границу на массы суперчастиц в районе от 50 до 300 ГэВ для различных суперпартнеров. Новые коллаборации с LHC также планируют заняться поисками суперсимметрии (Р.Лафайе).

Еще одним местом приложения суперсимметричных теорий является космология и астрофизика. В последнее время здесь активно обсуждается новый сценарий, основанный на существовании дополнительных измерений и теории бран (Д.Нанопулос). Ключевой является проблема космологической постоянной, которая, согласно последним данным, хоть и очень мала, но все же не равна нулю. Замечательно, что при ненарушенной суперсимметрии космологическая постоянная в точности равна нулю, однако нарушение суперсимметрии приводит к слишком большому ее значению. Эта проблема пока не нашла удовлетворительного решения (Дж.Ким).

Таким образом, на конференции нашли отражение практически все ключевые вопросы физики частиц, а также связанной с ней математической физики. Высокий научный уровень докладов, широкая география и представительство крупнейших научных центров, а также большой процент молодежи свидетельствуют об актуальности тематики конференции, отражающей самые последние достижения в теоретической и экспериментальной областях. Следующая конференция из этой серии – SUSY’02 – состоится в ДЭЗИ (Гамбург) летом 2002 года.

Говорят участники конференции

Профессор Пран Нат, председатель программного комитета конференции, профессор Бостонского университета (США) - один из основателей этой серии научных форумов (первая SUSY-93 была проведена в его "родном" университете в Бостоне):

Это весьма престижная в мировом сообществе конференция, она имеет высокое признание в кругах научной общественности, объединенных этой тематикой. Раньше она "крутилась" между Соединенными Штатами и Европой, и то, что в этом году проводится именно в Дубне, в России, представляется мне глубоко символичным. Нам всем представилась прекрасная возможность встретиться в стране, где тридцать лет назад было положено начало этому научному направлению. Ведь суперсимметрия была теоретически открыта тридцать лет назад именно в России. И сегодня теоретики и экспериментаторы, которых тоже было на конференции немало, возлагают большие надежды на новые эксперименты на Тэватроне в Лаборатории имени Ферми и на LHC в ЦЕРН, которые должны дать убедительные свидетельства в пользу существования суперсимметрии.

В Дубне мы обсудили очень много "передовых" результатов и идей, в том числе и "горячие" новости, например, последние данные из Брукхейвена по аномальному магнитному моменту мюона (так называемый эксперимент "g–2”). И, конечно, для многих участников конференции, особенно тех, кто впервые оказался в Объединенном институте ядерных исследований, было очень интересно познакомиться ОИЯИ, с его блестящей теоретической школой, с традициями, о которых очень хорошо рассказано в фильме об академике Боголюбове, предложенном нашему вниманию организаторами конференции.

...Мне очень нравятся такие уютные городки, как Дубна, утопающие в зелени. Своеобразный колорит городу придает и медленная спокойная Волга. Оргкомитет постарался, чтобы участники конференции работали в приятной плодотворной атмосфере. Надеюсь, что для организаторов следующей конференции, которая состоится в 2002 году в Гамбурге, в DESY, Дубна послужит хорошим примером.

Профессор Иосиф Бухбиндер (Томский государственный университет):

Дубненская конференция произвела очень благоприятное впечатление. Прекрасная организация, включающая большую культурную программу, много молодежи и студентов. В 1996 году я был на аналогичной конференции в Мериленде (США), и могу сказать, что дубненский форум не уступает ни по научной насыщенности, ни по составу докладчиков. А потом, я в Дубне бываю довольно часто, здесь все свое, родное. Здесь, действительно, какая-то очень домашняя атмосфера, которая затягивает даже людей с Запада, впервые приехавших в Россию. Ведь помимо научной программы организаторы предусмотрели и роскошный концерт в Доме культуры, и прогулку по Волге на катере, и неформальные вечерние встречи. Все было по самому высокому классу, то есть по дубненским меркам.

Наш Томский университет - один из старейших в России, ему уже больше ста лет. Научная группа физиков-теоретиков, которая занимается проблемами суперсимметрии, квантовой теории поля, суперструн, выросла, что называется, на своей земле. Воспитали своих студентов, правда, сейчас среднее поколение работает в основном за границей, а у нас остались те, кому за пятьдесят и до двадцати пяти. Но те, кто уехал, не прерывают связи с альма матер, связываются с коллегами по электронной почте, обмениваются идеями и результатами. Конечно, Дубна - один из лидеров в нашей тематике на постсоветском пространстве. Например, группа Евгения Иванова, с которой мы уже давно сотрудничаем, одна из сильнейших по суперсимметрии. Еще мы с 1975 года сотрудничаем в этой области с коллегами из Харьковского физико-технического института. И конференция в Дубне дала еще одну возможность встретиться с коллегами, обсудить результаты совместных работ.

Профессор Гвидо Алтарелли, руководитель теоретического отдела ЦЕРН:

Дубненская конференция отличалась очень глубоким научным содержанием, что, безусловно, определяется высоким престижем теоретической школы ОИЯИ. Теоретики Дубны и ЦЕРН сотрудничают очень давно, и мы дорожим традициями нашего сотрудничества. Благодаря хорошо налаженному обмену специалистами наших центров фундаментальные исследования в области теории физики элементарных частиц продвигаются достаточно успешно. Особенно это важно сейчас при подготовке экспериментов на LHC - специалисты Дубны принимают активное участие в проработке научной программы этих исследований, и вклад дубненской стороны - не только материальный, включающий подготовку экспериментальной базы, но и идеологический, - очень высоко оценивается в ЦЕРН.

На рубеже столетий отношение общества к науке во всем мире несколько изменилось. Признанные ранее обществом приоритеты ядерной физики и физики элементарных частиц переместились в сторону биологии и наук о жизни, астрофизики и космологии. Отчасти на это повлияли негативные последствия испытаний атомного оружия, "синдром Чернобыля". Но такие общественные настроения приходят и уходят. Однако в научном сообществе по-прежнему сохраняется правильное понимание необходимости развития исследований в области фундаментальной физики. И хотя в нашей науке давно не было значимых открытий, мы все надеемся, что с началом исследований на LHC общественный интерес к физике, безусловно, вернется.

Я был очень рад приехать в Дубну. Этот город буквально пропитан наукой, он напоминает мне американский Принстон. Буду рад сюда вернуться, тем более, что наше сотрудничество обещает быть еще более активным.

Адам Фалковски, Варшавский университет:

Для научной молодежи эта конференция представляет прекрасные возможности общения с коллегами из многих стран. Мой диплом, который я защитил год назад, был связан с локальной суперсимметрией. Мое участие в этой конференции связано с программой "Боголюбов - Инфельд". Она направлена на развитие сотрудничества теоретиков Польши и Дубны. Пока я мало знаком с Дубной, но встречи и разговоры на этой конференции помогли понять, что это мировой теоретический центр. И еще это очень гостеприимный город - организаторы конференции сделали все, чтобы мы чувствовали себя здесь уютно и комфортно. Единственно, что мне не очень понравилось, что каждый раз на проходной охранникам надо показывать паспорт...

Профессор Ханс-Петер Ниллес, Боннский университет:

Мне довелось участвовать в работе большинства конференций этой серии, и я могу констатировать, что удельный вес таких встреч в развитии теоретической физики все более возрастает. По сравнению с предыдущей конференцией в ЦЕРН, дубненский форум был, на мой взгляд, более приближен к конкретным проблемам, которыми сегодня занимаются в теоретических группах мира. Здесь много научной молодежи, в частности, большая группа немецких физиков приехала в Дубну в рамках программы "Гейзенберг - Ландау". И это очень хорошо, потому что большая наука, а экспериментальная и теоретическая физика в особенности, должна делаться молодыми. Сегодня большая часть молодежи выбирает преимущественно прикладные науки, а в фундаментальной остаются самые преданные.

Что же касается тематики конференции - десять лет назад на подобном форуме я набрался смелости прогнозировать, что скоро мы увидим суперсимметрию... Сейчас я убежден в этом гораздо меньше, чем многие другие мои коллеги.

Профессор Борис Арбузов, НИИЯФ МГУ:

Симпозиум уже приближается к концу. Было очень много интересного, важного и поучительного. Много было обсуждений. Я, собственно, не принадлежу к сообществу людей, которые занимаются суперсимметрией. Но, тем не менее, обсуждение на этой конференции проблем, связанных с частицами Хиггса, очень важно - это один из центральных элементов в современной картине субчастиц. Это как ключевой камень в своде. Пока она еще не открыта, и по ней высказываются самые разные соображения, и мне как раз было интересно и поучаствовать в обсуждении, и представить свои соображения по этому поводу. Я считаю, что симпозиум прошел очень хорошо.

Дубну я знаю очень неплохо, я работал здесь. Правда, это было довольно давно. Но у меня такое впечатление, что Дубна меняется к лучшему. Она всегда хороша. Но сейчас стала еще лучше.

Профессор Ханс Клапдор-Кляйнгротхаус, Институт Макса Планка, Гейдельберг:

Когда я ехал в Дубну на эту конференцию, мне вспоминались события двадцатипятилетней давности, когда академик Флеров пригласил меня на конференцию, и на память об этом времени осталась фотография, опубликованная в книге, которая вышла к 25-летию ОИЯИ. В это время я занимался ядрами, удаленными от линии стабильности - темой, важной для астрофизики, синтеза новых элементов. А тема моего доклада на этой дубненской конференции - возможность найти информацию о суперсимметрии и других полях в физике за пределами стандартной модели. Эту тему вместе с дубненскими коллегами мы начинали семь лет назад, и она связана с так называемой неускорительной физикой. И во время моего визита в Дубну я также приму участие в большой конференции по неускорительной физике, от которой также жду много интересной информации. Теперь о самом важном. Мне кажется, что 21-й век будет именно веком неускорительной физики.