Поиск суперсимметрии • Задачи LHC
Опубликовано: 24.08.2018
Физики уверены, что Стандартная модель не может быть окончательной теорией элементарных частиц, а должна быть частью некоторой более глубокой теории устройства микромира. Какой окажется эта теория — без прямых экспериментальных данных сказать нельзя. Суперсимметрия и построенные с ее помощью теории считаются одними из главных кандидатов на эту роль.
Какие тайны скрывает Большой адронный коллайдер
Суперсимметрия до сих пор не открыта в эксперименте. Она пока остается красивым математическим явлением, и неизвестно, имеет ли она отношение к реальному миру или нет. Если в эксперименте будут обнаружены суперчастицы или иные надежно доказанные проявления суперсимметрии, это станет одним из главных открытий в физике элементарных частиц за последние десятилетия. Неудивительно, что поиску суперсимметрии на LHC уделяется большое внимание.
Во избежание недоразумений поясним, что словосочетание «поиск суперсимметрии» не означает, что экспериментаторы будут пытаться углядеть какую-то симметричность в результатах протонных столкновений. Оно лишь означает, что будет вестись поиск новых частиц и иных эффектов, которые выходят за рамки Стандартной модели и которые могут быть объяснены какой-либо разновидностью суперсимметричных теорий гораздо лучше, чем модели без суперсимметрии.
Перспективы открытия суперсимметрии
Реализуется ли в нашем мире суперсимметрия или нет — пока неизвестно. Если ее нет, то, разумеется, она не будет открыта на LHC. Если она существует, то возможности LHC зависят от того, в каком именно диапазоне лежат массы суперчастиц:
меньше 1 ТэВ — для первых открытий достаточно светимости 0,1 fb–1 (первые месяцы работы LHC); 1–2 ТэВ — для первых открытий достаточно 1–10 fb–1 (год-два работы LHC); 5 TeV — потребуется фаза SLHC; заметно более тяжелые суперчастицы LHC обнаружить не сможет.Главная проблема с экспериментальной проверкой суперсимметрии состоит в том, что нет однозначных оценок масштаба масс: это может быть и 1 ТэВ, и на порядки больше. Если окажется, что LHC не видит ни малейшего намека на суперсимметричные частицы, идея суперсимметрии не будет закрыта, а лишь слегка потускнеет ее привлекательнось для теоретиков.
В том случае, если же будет обнаружен какой-то нестандартный эффект, похожий на проявление суперсимметричных частиц, это, конечно, не станет автоматически доказательством существования суперсимметрии. Потребуется скрупулезная проверка того, нельзя ли описать этот эффект иными, несуперсимметричными моделями. Эта задача усложняется еще и тем, что для правильной интерпретации данных (а затем извлечения параметров суперсимметрии) потребуется параллельно проанализировать не один-два, а большое число разных процессов. Ее решение потребует «распараллеливания» человеческих ресурсов, причем не только физиков-экспериментаторов, которые непосредственно изучают данные, но и теоретиков .
Как будут искать суперсимметричные частицы
Практически все теории с участием суперсимметрии сходятся в одном: самая легкая из суперсимметричных частиц будет либо вовсе стабильная, либо очень долгоживущая, и, кроме того, она очень слабо взаимодействует с обычными частицами. Поскольку детекторы элементарных частиц построены из обычных частиц, они не смогут уловить легчайшую суперсимметричную частицу.
Наличие такой частицы, однако, можно будет легко заметить косвенно — по дисбалансу поперечного импульса зарегистрированных частиц. Высокоэнергетические протоны сталкиваются вдоль оси, их суммарный поперечный импульс практически нулевой, а значит, суммарный импульс всех родившихся частиц — как тех, которые детекторы видят, так и тех, для которых детекторы прозрачны, — тоже будет близок к нулю. Поэтому если поперечный импульс всех измеренных частиц заметно отличается от нуля, то значит, в столкновении родилась одна или несколько частиц, которые унесли с собой недостающий поперечный импульс.
Анализ событий с «пропавшим» поперечным импульсом будет одним из ключевых пунктов стратегии поиска суперсимметрии. Вначале будет просто вестись подсчет таких событий, затем будет проверено, сможет ли такие события описать Стандартная модель (ведь нейтрино не регистрируется детектором и тоже уносит поперечный импульс). И наконец, если окажется, что такие события не описываются Стандартной моделью, будет проверено, предсказания каких вариантов суперсимметричных теорий лучше всего опишут данные.
Поскольку скварки и глюино — суперпартнеры кварков и глюонов — тоже чувствуют сильное взаимодействие, они будут рождаться среди суперчастиц чаще всего. Поэтому процесс вида «несколько адронных струй плюс пропавший поперечный импульс» будет одним из самых четких проявлений суперсимметрии (см. рис. 1).
Кроме поиска событий с пропавшим поперечным импульсом, физики будут обращать внимание на любые комбинации частиц, рождение которых в рамках Стандартной модели маловероятно. Например, в некоторых вариантах суперсимметричных теорий предсказывается характерное рождение нескольких лептонов или нескольких фотонов (пример такого события показан на рис. 2). Все подобные отклонения от Стандартной модели будут внимательно проверяться на «причастность» к суперсимметрии.
Изучение хиггсовских бозонов суперсимметричных моделей
Даже если частицы-суперпартнеры обычных частиц окажутся слишком тяжелыми и не смогут напрямую рождаться в коллайдере, у физиков останется возможность проверить предсказания суперсимметрии для хиггсовских бозонов. В отличие от Стандартной модели, в суперсимметричных теориях имеется несколько бозонов Хиггса с разными свойствами, в том числе и электрически заряженные. Эти частицы нестабильны, поэтому искать их будут не непосредственно в детекторе, а через следы их распада на обычные частицы. Так или иначе, открытие бозона (или бозонов) Хиггса и внимательное изучение их свойств (сечение рождения, предпочитаемые варианты распада) будет важным этапом поиска суперсимметрии.
Как будут представлять полученные результаты
Имеется много разных вариантов суперсимметричных теорий, а в каждом из них есть много свободных параметров. Когда экспериментаторы будут искать суперсимметрию, они, разумеется, не будут пытаться проверить весь бесконечный набор возможных теорий. Вместо этого выбирается несколько простых опорных вариантов суперсимметричных моделей и (не)согласие с данными проверяется для них.
Одна из таких моделей — mSUGRA, минимальная суперсимметричная модель, включающая гравитацию. Для эксперимента самыми главными ее параметрами являются массы суперчастиц, а конкретно, две величины: масса суперпартнеров фермионов (m0) и масса суперпартнеров калибровочных бозонов (m1/2) в момент нарушения суперсимметрии (массы реальных суперчастиц не слишком сильно отличаются от этих параметров). Таким образом, разные модели будут отвечать разным точками на плоскости (m0,m1/2) .
На рис. 3 показана эта плоскость в наиболее интересном диапазоне масс. Поиски суперсимметрии на предыдущих коллайдерах (LEP и Тэватрон) уже закрыли небольшие области масс, однако только LHC сможет просканировать всю изображенную площадь. Похожие плоскости параметров рисуют и для других вариантов суперсимметричных моделей.