Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ
"Дубна" №
47
(2012)
Гипотеза суперсимметрии уже давно требует экспериментального
подтверждения. Она может помочь в построении теории Великого объединения
физических взаимодействий, является важным допущением для суперструн и
даже дает ключи к природе темной материи. О деталях исследований,
причинах неудач и смелых надеждах на будущее в своей пленарной лекции на
Гинзбурговской конференции рассказал Дмитрий Казаков, главный научный
сотрудник Лаборатории теоретической физики.
Около
40 лет назад суперсимметрия как экзотический математический аппарат
возникла в стенах ФИАН. Как и другие, более привычные виды симметрии,
она означает неизменность процессов, происходящих в мире элементарных
частиц под действием ряда преобразований. Однако, в отличие ото всех
других симметрий, в данном случае речь идет о преобразовании фермионов,
частиц с полуцелым спином, в бозоны - частицы с целым спином, и
наоборот. Для каждой элементарной частицы, кварка, лептона, векторного
бозона или бозона Хиггса суперсимметрия предполагает существование
суперпартнера: частицы абсолютно идентичной по всем квантовым числам
кроме спина, отличающегося на 1/2.
То, что мы наблюдаем в
мире элементарных частиц, пока хорошо описывается Стандартной моделью.
Это подтверждается и экспериментами на ускорителях, и подземными
экспериментами. Но, конечно, остаются некоторые глобальные проблемы:
квантование гравитации, описание темной материи и темной энергии,
барионная асимметрия Вселенной и другие.
Когда начала создаваться
теория суперсимметрии, ученые руководствовались исключительно
математической мотивацией и хотели построить новую алгебру,
перемешивающую спины частиц. Но если посмотреть на это дело с физической
стороны, отбросив тонкости математического аппарата, то мне кажется, что
основная мотивация была в объединении всех видов взаимодействий, в том
числе и гравитационного. Сейчас кажется, что без суперсимметрии такое
объединение работать не будет. А поскольку мечта о нем всегда жива, то
именно суперсимметрия открывает к нему дорогу, - рассказал Дмитрий
Казаков.
Стандартная модель - это
модель физики элементарных частиц, описывающая видимую материю,
состоящую из трех поколений кварков и лептонов, и три вида
взаимодействий (слабое, сильное и электромагнитное), осуществляемое
посредством обмена калибровочными векторными бозонами. Гравитационное
взаимодействие пока выпадает из этой картины. Его переносчик, гравитон,
обладает спином равным двум (против единицы для других бозонов), а в
Стандартной модели нет перехода между состояниями с отличающимися
спинами. Кроме того, замечено, что силы взаимодействий значительно
отличаются при малых энергиях, а при больших имеют тенденцию к
сближению. Именно это явление и подтолкнуло ученых к идее создания
объединенной теории всех взаимодействий, получившей название теории
Великого объединения. А помочь в этом может как раз гипотеза
суперсимметрии, предполагающая наличие суперпартнеров с различными
спинами для всех элементарных частиц. Установлено, что в то время как в
Стандартной модели не происходит объединения трех взаимодействий, в
суперсимметричной теории это вполне возможно.
Столь привлекательная для
теоретиков гипотеза, конечно, требует и экспериментального
подтверждения, а именно обнаружения этих суперсимметричных
частиц-партнеров на ускорителях, чего до настоящего времени не
произошло. Дело в том, что время жизни суперсимметричных частиц очень
мало, и потому их пытаются идентифицировать по распаду вторичных частиц,
вычленить из фона сотен сторонних эффектов и явлений. Для обнаружения
суперсимметрии ускоритель должен обеспечивать ранее недостижимые энергию
и количество рожденных частиц, а потому поиски суперсимметрии на прежних
ускорителях оказались безуспешными, и лишь Большой адронный коллайдер
дает надежды на проверку гипотезы суперсимметрии.
При распаде
суперсимметричной частицы поэтапно образуются новые частицы все меньшей
массы вплоть до легчайшей суперсимметричной частицы. Она стабильна и
нейтральна и потому должна незамеченной вылетать из детектора, нарушая
баланс импульса и энергии в системе, частично унося их с собой. В том
числе по этим потерям и идентифицируют суперсимметричные частицы.
Эксперименты на
ускорителях направлены на нахождение свидетельств существования суперсимметричных частиц. Есть надежда, что ускоритель, работающий в
Женеве, уже сможет достичь достаточных энергий и светимости для рождения
суперпартнеров. То есть в ближайшее время можно будет получить
подтверждение или опровержение существования суперсимметрии в области
энергий порядка ТэВ. Но это только одна сторона вопроса.
С другой стороны,
суперсимметричные частицы должны проявить себя и в других местах.
Например, сейчас говорят о космологии, о темной материи, - пояснил
Дмитрий Казаков.
Легчайшая
суперсимметричная частица является одним из претендентов на составляющую
темной материи, которая не взаимодействует с электромагнитным
излучением, но проявляется по ее гравитационным эффектам и составляет 80
процентов от массы всей материи во Вселенной. В Стандартной модели не
существует стабильных, тяжелых нейтральных частиц, подходящих на эту
роль, а вот суперсимметрия вполне может предложить своего кандидата -
легчайшую суперсимметричную частицу: комбинацию партнеров фотона,
Z-бозона и бозона Хиггса. Эту частицу ищут как на ускорителях, так и в
подземных экспериментах, но пока также безуспешно. Уж очень мало сечение
ее взаимодействия с обычной материей. Так что суперсимметрия готовит еще
много загадок и открытий для своих исследователей.